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。
$ h3 t4 J: G+ \2 {! L( k, Q
, e5 g$ k$ z( }( P' ?; X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]。

. t: D0 s8 ^+ L! C8 r( o! j
& C# S; k2 f: }5 [8 [9 N  Y; o
4 a* |) x2 i/ c) W6 |: ^
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)
) @. y+ d/ H& ~. a2 M4 Y[/ol]
讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。
& t4 y. D' a/ v7 a/ F
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。
) K6 l1 Y# G# g% A* L, v3 u
1 o$ P1 s2 e1 A
圖1：兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。

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。
( e: W' B$ t$ ]& ^2 T, J0 O6 ]: y[/ol]
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括：
$ o* J. M  E- |5 S7 ?1 i- F

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
  q8 \& u6 d% }- w


5 F4 j+ i) s0 n4 ~& C3 C圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。

: _* @: {- [4 }3 Q4 oRF-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。

: A) a& j3 v/ n( X2 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)
0 g* |3 u" l% Y4 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。

+ b6 s; M- o/ C+ M4 |( G7 L9 {
圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類似。
7 F( w' I9 l5 _
9 q$ F6 L2 C& ?% _/ s( w這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括：

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)
) E4 K" X. J' L: ~7 E
2 E! M% `& }( }( i" g, o3 h. P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]
, ?% O% ~1 i3 b

9 [3 |6 ~6 k+ _$ |圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。

QCD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。
" h8 I, V6 D  m, o# H
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
5 l  {4 i; N+ R) [) H" RFSO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。
# C1 j$ R) T0 Y& e8 @[/ol]
( ^1 X$ V1 L" B9 _; b

  F" E- Y6 `" k8 b7 d9 {圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。

$ D, O( n- D. m0 Y- G
- ~* U( H8 P. U- H8 ?數(shù)據(jù)傳輸性能
0 t: F3 W5 g' r" I) ~9 l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)。
" Z6 H7 p' _5 e
1 A- G" k6 i  w" c2 w3 {0 C標(biāo)準(zhǔn)QCL性能

使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合：
: o$ d/ g+ t2 r* F8 Z: O[/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）
  }# E* D# O2 K3 w7 t
. h5 h0 @9 s% ]! Z
8 a! \. j, R$ }" e2 d1 o
圖6：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
( a( w' B9 D* E# y" ^# W
2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率：
. L0 j  D( f. \0 t- A- s! }  _

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）
  `6 q3 T4 k+ Y1 h# I. z


/ A* u- q8 v% }) k3 d: j! k圖7：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。


  O1 o2 h1 F. _+ \$ D; TRF-QCL性能
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：
$ H0 g5 f: n- R; V: |9 t; Q7 f' I
" c, N7 F1 ^# v4 P- o1. 使用QCD接收器：
7 }5 i7 K4 i* m9 ~2 H8 _3 m

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）
, \! m+ i( A1 P
9 ], B4 Q9 D- i6 S/ J8 v4 w

圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能：
7 J, [; i9 r! }* M1 t

NRZ：55 Gbaud（51.7 Gbit/s凈比特率）

PAM4：30 Gbaud（56.4 Gbit/s凈比特率）



7 V" ^5 b- ]3 ^% P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。


0 L" s- w! Q  k* ^3 ]. V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。
: x9 Z! Q5 Q2 E, @& @7 k( ^) 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。

! q6 [: K- ]( ^; H; M: OLWIR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。

+ v# n" v% P5 y1 h& t: s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。

, k  _. r4 y' H$ P& c
參考文獻(xiàn)
& B0 y+ q4 b9 }1 B5 x4 d6 p* n1 S[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.

- END -

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(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
6 P9 h9 e- R0 ~! P3 s* N點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

6 j2 V7 V, r0 g歡迎轉(zhuǎn)載

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 a/ B8 F6 v3 x3 p# y- G
, F1 C, ?* D+ D, U/ f8 R/ m
4 V2 J6 U3 j+ I% O/ J: i& ^
  O" u; C0 z3 l
關(guān)注我們
5 }" r: C& {' X0 }7 z' ~

5 F+ @3 E2 l1 U( l* z% L4 t1 _. m5 g. R

' t0 d& c3 C$ }; o- [& B

6 Y  n: q5 r* |+ X- j/ P 0 O8 L4 U, P! c% L6 f+ O7 `& ?

                     


. R# b  ^& P+ L# F; O4 x: b2 u$ k
0 p! U5 z! Z3 h關(guān)于我們：
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)。

http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）