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引言
9 X8 {' n, }$ s4 ?( O3 e% O8 Z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55 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
4 t/ b* ^# s+ k
6 Q. H0 b1 y6 T5 x7 R( [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]。
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, S( _1 Y W' Y7 }9 c* y% N" A* z* N) h, ~7 }4 V5 i5 v
關(guān)鍵組件1 @( k5 G, I) r* m# _
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)1 w1 O* \- K2 C' Y; ~# Z) v$ F
[/ol]) o! c1 [9 B* g2 Q+ ]
讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。. G) s( n4 W5 p4 b; z
# o7 e1 @- _3 x' N* t, o5 q
量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
1 |2 e# b; E' Z. Z' S% F; O8 ZQCLs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。
2 L1 W! E* ^7 d, |& p1 V: V; U6 g7 Z
! B; {) t: o1 U. B3 q+ W
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: f: f- o; v8 B2 r) l) {圖1:兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。: u w' V( [# P& n0 W, g1 @
0 W, \) o& N$ n4 e0 j8 X8 P- C/ Y" Z
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,使用了兩種類型的QCLs:標(biāo)準(zhǔn)QCL:通過專用散熱設(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。3 @. A+ l0 f: y
[/ol], a% } g: w% R/ ]6 v2 c
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括:
; r8 _1 V$ p) Q) q* d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
( Z9 `, \& R/ n8 G; f9 ?' T. t5 }
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3 Q0 ~+ J* k* O
圖2:使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。
5 G0 o8 E) j G) I7 `8 v9 s6 e7 h( i" b$ G- [8 z
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。0 }5 v+ _7 x9 U
5 A& E( w1 D; `6 d/ U+ S% J% a量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)
h5 R# p& X! e% w g R9 ^% B在接收端,使用了兩種類型的探測(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。7 g. X+ R/ K0 e
- X/ Z- X* @8 K0 v' W) w: J
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- c* g9 V6 _ m) N2 B& D- g圖3:QCD的SEM圖像,其布局與QWIP類似。
7 A1 x+ \6 @' W7 \% z/ Z2 S5 S# J2 J; w! H
這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括:
8 `/ Y# c( ~8 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)
# ]5 {) g; H3 @0 J0 X* B8 H+ N3 X$ K
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& e7 M. [; G" P& y) Q
[/ol]
2 L8 _$ s* z; W7 o. G4 X) E
5 J0 _9 W# j9 f& D
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# e7 K0 O! ?8 w' \圖4:QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。6 A; o! u6 }) {* F; n
4 @2 N- ^/ n4 o: DQCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征:, o0 a$ q5 c1 w9 Z& I8 e
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)3 }, S l' m* ]" k5 T. R- g, f; ]5 w5 f3 G8 h
# `/ X! m' W( d, J" f& L
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。/ T: b" f& ^) C a% M4 s/ n" E
0 y5 \+ O* s7 B1 C1 |% Y/ `實(shí)驗(yàn)設(shè)置8 x/ P5 U2 k. L$ L
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。
* D: @3 `5 Z6 B4 Y6 x& T9 H[/ol]: b* v3 G* s3 L ?
. o, g% q: E# M% X, ^
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1 t# @! N7 ]+ _1 e, I# Y1 T. M
圖5:FSO傳輸設(shè)置的示意圖。2 F N/ g0 {1 H8 m5 [. A: I
q% L/ ~) T! s
: L, L+ L9 M7 s e4 t z/ b數(shù)據(jù)傳輸性能
9 ?# {9 t, b% q7 B, J& {2 T系統(tǒng)性能通過使用不同的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)。8 F) S$ n/ O" n9 q7 E) O+ X# O/ A
# i: F) b. }; u. n! J- _
標(biāo)準(zhǔn)QCL性能使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合:
9 x' W. C% z+ l2 m9 L[/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)- n0 [/ N z+ H q
$ U: h4 @% [9 g: W8 `
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. F4 \ T1 i& |+ O圖6:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
% }+ C0 M( ?5 I" h& ?0 t7 W9 @1 s/ _# B% k1 A: \. T
2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率: O$ i" j5 ~) f/ x
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)
' s4 v7 L* n2 T4 q& f' w H
! }9 }* B( f1 h9 Q4 N
" e8 q: @! B- O ^2 b- o0 b
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( N6 Y. y: R7 O# F圖7:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。! r3 r% S3 W9 ~; x/ {3 {
3 p1 N; w( J1 Y" ?3 z: j% B$ l
& v0 H) n) p0 g. ^RF-QCL性能
! }% a* c9 _# S: |$ A4 l" n- Z% ]RF-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:- f+ v/ O2 I7 C1 K
; R0 f5 F+ T- r2 i. Y! ~
1. 使用QCD接收器:' _ r' ^" W) n9 Q6 @& a. g. L
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 A0 m9 \8 r! p& s
4 q8 I0 \+ x2 c0 L* H
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( D( j: M% C( ~# u* E# U圖8:RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
" y4 c% q) J. S, h6 e, Q5 w3 B- t" W4 k. a7 o$ S, F
2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能:
+ \. {/ e0 { P" [NRZ:55 Gbaud(51.7 Gbit/s凈比特率)PAM4:30 Gbaud(56.4 Gbit/s凈比特率)$ y5 Z# J8 r7 ^3 O3 v0 w
) P$ ? P# B% W/ |
+ |) M3 L" [- u) t- b: [
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9 r& K9 U$ z" @* n8 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。2 A. d9 O9 F/ t! j3 {
+ F' t2 S$ m- M1 d( }' q- c9 @
) \* A8 |) `& K) ?. L7 u
挑戰(zhàn)和未來改進(jìn)4 R& a3 c" m% f
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extend傳輸范圍,以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。) g- w$ @# K' W3 G% M5 }8 b8 R. m& T
[/ol]
2 F$ b' i, L% q" n* M結(jié)論/ E& g/ s- N9 \7 X
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55 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。! P5 v9 r- Y, Q
4 y2 {! O7 O3 x. D7 ~+ ]% v
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。
6 g3 a5 Z& a" }( P# l
; f! n5 Y0 d/ I% t% G% B: m未來的研究方向包括進(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)將在下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。
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* _- M" d( ^. E: S. q, u- K# U
參考文獻(xiàn)! v" y& ]+ P# e' L' j. ?
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/ `. D4 N0 [9 p/ n5 v% n( S X( A8 m# f
- END -
( h" V7 [9 o% `; A
: B+ o- V o, N1 q; j% t1 A7 A軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。# T/ h. q/ r3 m9 A1 R9 X O
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/ o- b: d) {9 @7 ], {轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!2 }& |+ P0 n4 l. V O
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$ } }- U2 m# E' C# K2 v8 h$ W2 J1 n! v) a5 f1 c2 W# e
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7 t) p. w, R. B8 W2 @3 l深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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