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
7 r6 b& u1 Z, X1 v0 g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。

' Y" Z9 f) I: ^4 V+ o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]。


, C9 y% q. b- y% e- I7 ]

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)
  {9 e5 W2 C# E$ v5 o& V[/ol]
讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。

0 F% O" d3 [; y: b量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
: n0 {9 m9 n: Z4 D7 h9 VQCLs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。
  ?8 U/ i8 _, V: `
" X$ N: f9 S* j# o% s; \4 m
圖1：兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線(xiàn)。

) G1 ^- t0 P* g+ X5 {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?xún)?yōu)化，具有增強(qiáng)的調(diào)制帶寬。
[/ol]
RF-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(xiàn)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 [/ ?( J4 D+ Q% g( P0 Z
' M) S* i2 [' {/ s! }8 c
圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。
3 c$ W) {3 U( L  ^0 ~$ C0 x$ j
# x8 P( l( f% X- \2 n4 U; P! w9 rRF-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。
" y% _. i, H4 k0 L- ~
# T% l6 H- u- B# S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。
0 `% n, m3 M- z

2 x# P# ^+ g( F/ [# o' L: Y5 i圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類(lèi)似。
0 D+ u% k# w. Y6 c, N. l- g$ {
1 i+ g8 P5 A4 |( _3 t0 D* G這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括：
. Y) N# f* j5 h- W$ n/ _! N; z

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)

% q' K/ L, q: R: p, C2 [9 z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(mǎn)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]
5 Z+ _' o( H$ T( C* ~: w
4 ~5 @. }: d9 c' @
圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。

: X) q: M2 l& c* H7 B1 X  y' mQCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征：
0 ]7 X" M- a8 ^) B0 e- D6 U2 T

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）

1 K: P% z9 v: e. N; _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。
3 T8 p" o2 H2 s9 N/ A$ N
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(xiàn)處理以評(píng)估性能。
[/ol]
# k1 l8 O0 v3 K7 _4 Y

5 z$ P+ ]3 K5 R1 W圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。

; X( Y% P1 f) m2 Z2 P
/ E6 h5 k8 b3 S- V' e7 M數(shù)據(jù)傳輸性能
/ @/ u) K$ g1 u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)。

7 z& W- ~, Q0 H5 g0 Z2 H標(biāo)準(zhǔn)QCL性能

使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合：
[/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）

" {7 P1 Q8 F9 ^, n; t
2 f6 \5 h  h$ n& u' x. a
4 v% }/ b& G$ C5 J- ]9 T圖6：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

& D: n6 l3 h! L4 h) z: W2. 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）


6 l% |, p6 z0 K7 ?4 a- h
) q5 V$ i  v$ l! d4 J' }圖7：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。

, A0 @- l, L. D4 |# i( l
RF-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：
8 u+ k+ ?4 U5 H* _! [5 S9 Q
0 S* C6 K2 H! K. d9 T2 X1. 使用QCD接收器：

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）



圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
, c: s: A" w( E. Q. Q
. e: \" L# i, u2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能：
2 K4 n- F  j5 o* c& Z

NRZ：55 Gbaud（51.7 Gbit/s凈比特率）

PAM4：30 Gbaud（56.4 Gbit/s凈比特率）
+ I9 J2 g( U4 C2 k; w# K0 ^
' L# k- F# _- u4 I: ]' ~2 l' g

) _9 L: Z9 C3 I9 m% c1 `" A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 y( }* i1 U1 p
/ F% }9 o& x2 _7 ~  B) m1 u' h+ R挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)
+ m3 c3 G& f/ p  Z& m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(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。
5 S# o. ^- s+ A0 F[/ol]
+ s$ J: P' t8 k: z) L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。
" }5 @# d# q$ O) Z; S8 Z& `* w
9 l+ \/ B3 H$ N5 ~# m( I( 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(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。
8 }7 e0 p5 k+ C8 o0 k4 O: q. }4 p
3 d. X! n; G" _8 l6 \8 Z5 q
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.

$ V" Z* q9 S  N7 f9 h: R, m' H- END -

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) ^+ Y, q1 D; U$ F1 j4 ^關(guān)于我們：
. M4 [% f  ~9 a/ m" ]- \深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專(zhuān)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(kāi)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(hù)。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線(xiàn)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(hù)提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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