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
! ?: K8 t, k3 a6 m5 `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。

; W' O. d& ~6 X/ Y  _& H& V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]。



+ h0 x8 ^. j' A" F
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]
8 x# g0 d% M, J4 [讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。

量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
QCLs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。
# s& r% p* S$ }/ T

圖1：兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。
- j+ @4 J6 I: [( q2 w" A' w% N
7 g5 H2 F; `$ _6 z( p$ D' a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(guò)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。
/ l  B1 t* f9 O, o( c/ F[/ol]
3 t( e7 `9 x4 }- f2 r9 r1 g5 {9 HRF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括：

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

3 s7 }) z# V, P7 |

2 ?3 i: H  b9 z# R) u' L圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。
( c: [: n" @* s0 U
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。
; V$ U8 i, W/ d" k* X
* p& s% N, `' [量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)
" W& `2 ?& v0 g, G$ O& j! V( ?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。
  T1 _9 z7 i( q! \7 o
" D) F" P, ?4 S, n' c$ M* Q4 @
6 n! r5 x4 M8 D圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類似。

這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括：
* v# l( S3 W2 q7 D- o, T# n( [

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)
: [6 Q0 l1 @0 W7 b+ ?+ V6 w
5 A  m% j4 L5 E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
3 Y% z: W( X* y8 x[/ol]
  U1 j  Z) e0 L1 Q1 h
4 j% J6 ~; @" o9 a7 o) V
5 s7 U% N. ~3 H圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。
  V8 z5 ]; ], X$ S; E
+ U5 g) @5 L8 V6 E- GQCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征：
! H+ Z( l/ b' g+ {/ Y" M. D  ]

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。
: ]6 ]! F; b4 e9 e) [
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
7 |$ t. J0 F7 oFSO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]
7 A9 z2 R- p  C

/ f5 \$ _; b& ?/ x圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。
/ d8 `; n. ?$ z. }) {- S0 J
6 \3 F5 T# ]# l& n. K9 Z& x
8 T& B, _- j9 D; m- a4 V) R8 N+ n數(shù)據(jù)傳輸性能
: o9 o, t* n' M8 ^+ Q  Z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)。

標(biāo)準(zhǔn)QCL性能

使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合：
# i# p6 X/ ~0 a* M& |; q( `4 R4 t[/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）


: l. v6 }' T% Z4 {  R' [1 _
圖6：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

( O3 C: |! E+ B1 O  l$ N7 ]9 J2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率：
6 P$ Q9 L% a9 p

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）
( w# V" c. L- o; N
2 r+ A7 S0 y* V8 C

圖7：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。
4 H% L9 J' ~3 ^) q$ j1 ~, b
5 p6 R( U0 `% \, g( Q' P. e
RF-QCL性能
/ E1 M  _9 X3 ARF-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：

1. 使用QCD接收器：
: u1 x8 r2 C9 V) d" c' e# 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）

" S7 k3 V, A  X$ f. A3 g  r2 H

圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

) C) A  G6 A( f( A" t. K2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能：
+ `4 ^" J, T& F5 i

NRZ：55 Gbaud（51.7 Gbit/s凈比特率）

PAM4：30 Gbaud（56.4 Gbit/s凈比特率）

) K. B9 O; R; b9 ~2 \
+ Y3 w, c7 x/ Y. q" C4 R: s; Q
; `- B* }& @6 Y: v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。

+ S! y! @+ P8 a* R% w
挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)
. ^; L2 M& i9 }, |5 _6 M8 i4 A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。
5 M* E- M! O: }! F2 K6 T, a[/ol]
5 Y8 H8 w: S+ N# u# s3 g9 [# g( k結(jié)論
/ }9 |; C* Q& l- i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。
2 O2 S7 h$ o, P
' F, ?. U, F2 ?# p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。


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.
, p; Y9 t2 ?2 }/ l6 u
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