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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4 ?! \+ V+ s  Q) d/ 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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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]
讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。

量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
0 j+ q+ \" L- B* u& O: O# D4 ?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。


5 M, j2 N. K- u2 [7 O圖1：兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。

1 \8 P4 v$ S$ M7 Y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。
[/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


$ t1 j. ?6 ?9 S; ]
圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。

$ G4 {% y' V/ d: I: T* G4 uRF-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。
4 K- W$ ?. z1 }- a' }" A4 `
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。
$ j  J- s4 b8 v$ i& a5 V
! B& s0 t+ K3 m& \" W0 B) N( J
7 O; \# ^' v% o& P5 W2 O- B* f圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類似。
8 Z) ^* J' i; t" ]4 _5 C4 O/ r% [
* X: I( x: n0 j; u* X9 y' b這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括：
& W6 K1 N" j- m+ t9 _4 p

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)
' ~% ^0 w! l* M  C1 H
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]


3 v" M" \) W' s9 R3 T  }圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。
2 ]  W8 I4 a6 A
QCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征：
9 |% o# X3 a  s0 e! y

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。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置
3 u2 S9 x! N3 J; t& ?# lFSO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。
" @7 B" L( q$ G: S2 \1 G4 ][/ol]


圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。


$ x+ }6 L' D1 s9 }; n# l數(shù)據(jù)傳輸性能
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)。
/ k5 h# J4 R2 T) \5 b% f5 ~
標(biāo)準(zhǔn)QCL性能

使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合：
8 o" m/ y2 I, \, L( h2 P[/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）


0 n( [. c. W2 K2 T
/ {1 k3 \/ y2 ~. l) k: H- c2 Q$ ~圖6：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

7 @3 j& h& o8 S/ @0 v2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率：
* T7 Z' Q- O8 d

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）
( a' }) m% z! C& Z4 R5 a+ ]7 w; B, J
, ]' h) X9 ^6 e, @3 s" O& ~2 Q

圖7：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。

) @  d! N9 U& j' D( Y
- G( i. i' {/ n8 j. ?) |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：

1. 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）
" w8 ]2 P3 y* ?1 F! b


圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
6 i* d; z$ S" C8 k6 x" O3 [6 ]  ]
2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能：
) n' G' U2 x8 A9 P! a! `

NRZ：55 Gbaud（51.7 Gbit/s凈比特率）

PAM4：30 Gbaud（56.4 Gbit/s凈比特率）



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。

4 S. W9 b! x3 u9 f% Y3 ^
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 l: b3 `' N) x  `$ Z) X' k[/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。
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+ P. U# A6 Y' o" o9 T/ R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。

& @: T- s2 r: ^6 J9 g/ F
參考文獻(xiàn)
, f4 R: P' q! `[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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6 S! h7 y3 ]" D( S- Z& g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(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。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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