Nature Communications更新 | 長(zhǎng)波紅外自由空間光通信中的單極光量子器件

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
本文介紹基于單極量子光電子器件的高速長(zhǎng)波紅外自由空間光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在9.1 μm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)55 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
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長(zhǎng)波紅外(LWIR)大氣傳輸窗口(8-14 μm)為自由空間光(FSO)通信提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)光譜區(qū)域結(jié)合了低大氣傳播損耗和對(duì)湍流及其他大氣干擾的高抗性。最近在單極光量子器件方面的進(jìn)展使得在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)前所未有的數(shù)據(jù)傳輸速率成為可能[1]。


; b4 f. [: D4 `, N, C

- ]. X2 ?; A6 d4 U9 U6 a關(guān)鍵組件
高速LWIR FSO系統(tǒng)的核心由兩個(gè)主要組件組成：

發(fā)射器：直接調(diào)制的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器(DFB-QCL)

接收器：高速量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCD)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIP)
[/ol]
& v# k+ Z2 ?$ }) O. \! b5 m/ u" K讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。

# e2 p; @3 O9 n# k1 C量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
5 R: L5 x/ V0 \8 k4 m  [2 |. W' XQCLs是在中紅外到太赫茲范圍內(nèi)發(fā)射光的半導(dǎo)體激光器。與傳統(tǒng)的依賴(lài)電子-空穴復(fù)合的半導(dǎo)體激光器不同，QCLs使用重復(fù)堆疊的半導(dǎo)體多量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的子帶間躍遷。

3 N- H, ]& ?2 \6 F) B
3 p: D2 O- Z3 M' Q. S0 K; |" D圖1：兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。
. X+ r8 u# J5 z) |% \
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用了兩種類(lèi)型的QCLs：

標(biāo)準(zhǔn)QCL：通過(guò)專(zhuān)用散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，以獲得高輸出功率。

RF-QCL：針對(duì)射頻特性優(yōu)化，具有增強(qiáng)的調(diào)制帶寬。
" y5 w+ d& F4 s& [; {[/ol]
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括：
, R- J$ }6 g( r5 k& t0 o

更窄的寬度（4 μm，而標(biāo)準(zhǔn)QCL為2 μm）

外延面朝上焊接到切割的子裝載板上

短線鍵合，以實(shí)現(xiàn)高速操作

定制的pcb設(shè)計(jì)，帶有SMA連接器用于射頻注入


( S! T7 o7 B: ^) Q
9 J9 B  Z0 s/ g: [( A# y圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。
# M0 w3 T+ g: X% ~7 d3 g$ h
RF-QCL展示了約10 GHz的調(diào)制帶寬，這是對(duì)先前設(shè)計(jì)的顯著改進(jìn)。這種增強(qiáng)的帶寬對(duì)于在FSO通信中實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率非常重要。

  Z3 b* \6 j+ g% L0 {! y* t量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)
在接收端，使用了兩種類(lèi)型的探測(cè)器：QCDs和QWIPs。這兩種探測(cè)器都利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的子帶間躍遷，使其成為L(zhǎng)WIR通信中QCLs的理想伴侶。
. \! T6 |7 i4 Y- V/ |% @0 P0 p5 c7 g% S

圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類(lèi)似。

這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括：
1 Q2 i7 q# i0 P' ^! m5 X) A

60 × 60 μm2的有效面積

50 Ω共面波導(dǎo)和空氣橋，以增強(qiáng)頻率性能

一維條紋陣列超材料設(shè)計(jì)
2 e2 x" O) h  Z& G/ ]
超材料設(shè)計(jì)提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

將入射電磁能量confined在亞波長(zhǎng)腔內(nèi)的TM01模式中

將電場(chǎng)垂直對(duì)齊，滿足子帶間躍遷的極化選擇規(guī)則

減少器件的電氣表面，降低噪聲和電容
[/ol]
2 B8 o1 k9 @6 V2 r! {3 }

圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。
7 G( d, q  x% ~& \$ m
+ _7 l5 [! W! C6 e. B4 EQCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征：

QCD：更高的帶寬（~12 GHz），較低的響應(yīng)度（26 mA/W峰值

QWIP：略低的帶寬（~9 GHz），更高的響應(yīng)度（320 mA/W峰值）

這些權(quán)衡需要小心的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳整體性能。
" [  L8 v" J: `! Y
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
FSO傳輸設(shè)置由以下關(guān)鍵組件組成：

信號(hào)生成：任意波形發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生各種調(diào)制格式（NRZ，PAM4，PAM6）。

信號(hào)放大和合并：電放大器boost信號(hào)，然后使用高電流寬帶bias-tee將其與DC偏置電流合并。

QCL安裝：QCL安裝在Peltier元件上，以穩(wěn)定溫度（15°C）。

光束準(zhǔn)直和聚焦：ZnSe非球面透鏡準(zhǔn)直QCL輸出并將其聚焦到探測(cè)器上。

探測(cè)器：使用QCD或QWIP進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。

信號(hào)放大和采樣：檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)放大后由實(shí)時(shí)數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)采樣。

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)：進(jìn)行離線處理以評(píng)估性能。
[/ol]


圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。
7 Q. u; O, k' k9 f" N: v2 Y  h

2 Z$ ^1 q: b6 [2 h/ Q7 P% D數(shù)據(jù)傳輸性能
& `9 ]9 H" z; h# E% P8 Q系統(tǒng)性能通過(guò)使用不同的QCLs（標(biāo)準(zhǔn)和RF）和探測(cè)器（QCD和QWIP）組合進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試了各種調(diào)制格式，包括非歸零(NRZ)和多電平脈沖幅度調(diào)制(PAM)。

$ ]5 p3 w2 l& |/ |% S0 K: ~, P標(biāo)準(zhǔn)QCL性能

使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合：
8 t9 _* A: l  @. `  Y: Z/ C. R[/ol]

NRZ：33 Gbaud（31.05 Gbit/s凈比特率）

PAM4：18 Gbaud（33.8 Gbit/s凈比特率）

PAM6：13 Gbaud（30.5 Gbit/s凈比特率）
- v9 q5 G" e2 |- v# \

' S; S! ]( z9 X1 B- Y3 E5 V1 l
圖6：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率：

NRZ：38 Gbaud（35.7 Gbit/s凈比特率）

PAM4：21 Gbaud（39.5 Gbit/s凈比特率）

PAM6：15 Gbaud（35.2 Gbit/s凈比特率）

. |/ ^& h% N) y$ r. W/ q
! ?3 g- s. j8 L$ x
圖7：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。
% K: ]" m# x7 a

RF-QCL性能
0 B4 D  _; P; L  h, J( FRF-QCL憑借其增強(qiáng)的調(diào)制帶寬，實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)速率：

/ _: b& p0 t0 u- Q9 H1. 使用QCD接收器：
( D$ n% @2 v% B

NRZ：42 Gbaud（39.5 Gbit/s凈比特率）

PAM4：由于SNR限制，限制在5 Gbaud（9.4 Gbit/s凈比特率）
- }5 {- B8 i' Z! B


圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
0 `5 N# O! y4 r' K1 K/ U
; j* e: _+ k2 O$ i2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能：
0 T+ F  u) S* ]: o0 \# r

NRZ：55 Gbaud（51.7 Gbit/s凈比特率）

PAM4：30 Gbaud（56.4 Gbit/s凈比特率）
$ N6 b6 f; G6 w' B; D

5 h3 w& B7 r# M. O$ U' m
圖9：RF-QCL與WQIP接收器的BER結(jié)果和眼圖，顯示了能達(dá)成的最高數(shù)據(jù)速率。

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& V" M  F# O# H挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)
盡管演示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LWIR FSO通信的前所未有的數(shù)據(jù)速率，但仍有幾個(gè)潛在的改進(jìn)領(lǐng)域：

RF-QCL輸出功率：增強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)可以在不降低操作溫度的情況下提高輸出功率。

探測(cè)器響應(yīng)度：優(yōu)化QCL發(fā)射波長(zhǎng)和探測(cè)器響應(yīng)度峰值之間的對(duì)齊可以改善系統(tǒng)性能。

探測(cè)器帶寬：將條紋陣列設(shè)計(jì)替換為patch陣列布局可能會(huì)同時(shí)增強(qiáng)QCD和QWIP的性能。

傳輸距離：當(dāng)前設(shè)置由于precise聚焦要求限制在20 cm。需要engineering努力來(lái)extend傳輸范圍，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
6 q5 Q' |3 E2 ~) u0 V3 L/ w! {$ z[/ol]
結(jié)論
本文探討了使用單極量子光電子器件實(shí)現(xiàn)高速LWIR FSO通信的關(guān)鍵組件和技術(shù)。通過(guò)將優(yōu)化的QCLs與高性能QCD和WQIP探測(cè)器相結(jié)合，在9.1 μm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)55 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。

LWIR大氣窗口為FSO通信提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括低大氣傳播損耗和對(duì)湍流的高抗性。隨著這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)成熟，有望實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的高容量、長(zhǎng)距離FSO鏈路，包括地面和衛(wèi)星通信。

$ T$ Z# M9 e! L  k# ^6 a1 d+ T未來(lái)的研究方向包括進(jìn)一步優(yōu)化QCL輸出功率和調(diào)制帶寬，改進(jìn)探測(cè)器設(shè)計(jì)和性能，以及engineering解決方案以extend傳輸距離。隨著持續(xù)的進(jìn)步，基于單極量子光電子器件的LWIR FSO通信系統(tǒng)將在下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

8 g, a- M& s3 \* n& a8 q
$ l+ h  [" N4 G參考文獻(xiàn)
[1] H. Dely et al., "Unipolar quantum optoelectronics for high speed direct modulation and transmission in 8–14 μm atmospheric window," Nature Communications, vol. 15, no. 1, p. 8040, Dec. 2024.
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