|
引言; F6 u6 q. t" y9 l
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。
' [* P0 g5 {2 p4 f
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]。
% z% D" _7 F* M% B3 R2 V1 f$ p3 n; d: |+ L8 J
dwhfzmxdvdq64034864728.png (217.6 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
dwhfzmxdvdq64034864728.png
2024-9-22 01:16 上傳
) Q1 D+ a! P2 A, W' j8 r/ s
' N. c8 `: E2 f$ b
$ b( i1 A: w5 i _2 V# v% {
關(guān)鍵組件' o: o$ s6 f( V7 T+ O3 l* K; f
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)' h8 [. D3 ^9 O% K: R! | e2 H# Y
[/ol]9 R1 ~' w+ I; T' R" k
讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。+ U( B6 x {, E
" G H# Y; n, @
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。; q" J1 ]; R& T! C Q9 w
/ c2 A# X" _. G; d# v2 y O/ }
i14ngrxclls64034864828.png (86.47 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
i14ngrxclls64034864828.png
2024-9-22 01:16 上傳
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。3 D7 F5 K. z0 A: @" I
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。" f2 ]6 q8 S* ^) c, o4 _- A
[/ol]" c0 }$ m+ l) d/ H; c, \! R
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括:( u9 v) P, ?* K1 O3 U" Z8 h
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- Z' Q g1 E! N, v5 }4 D
6 y/ P. u, y3 r) Y' A& X/ x
$ t1 j. ?6 ?9 S; ]
y50yzielohp64034864928.png (108.22 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
y50yzielohp64034864928.png
2024-9-22 01:16 上傳
7 Q/ c' P) O3 V
圖2:使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。: ^+ B( b4 t+ w6 J2 h
$ 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 `. `! t/ W7 @2 ^, {1 r. {
量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)1 @0 [2 l i) r
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
jafjyt2sier64034865028.png (257.91 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
jafjyt2sier64034865028.png
2024-9-22 01:16 上傳
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 p60 × 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: g# E% |# L# f: y
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+ k N) {1 \4 |3 q: S6 K6 c6 q
[/ol]% \9 Y9 A2 {7 a% S9 X2 P
. ]3 Z* r8 E* _ p- K
obtuoe5njz064034865129.png (124.4 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
obtuoe5njz064034865129.png
2024-9-22 01:16 上傳
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 A1 \8 l( I: ]1 m% `& i4 T, s
QCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征:
9 |% o# X3 a s0 e! yQCD: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)* C* r2 |3 o$ g* y9 c" n
6 ~" X5 Z; Y3 w) D$ U2 [ t# N) S
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。- x ` `/ q6 o- I4 X1 e
1 t+ h0 q* c2 h! M- ]! U9 A- q! `
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]8 d# C) x, B. x% R4 y
+ O3 o9 w: r* q4 B) d' m
w5sraz1yefe64034865229.png (104.47 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
w5sraz1yefe64034865229.png
2024-9-22 01:16 上傳
+ Q! T' I1 ?+ H. D
圖5:FSO傳輸設(shè)置的示意圖。# Z+ ]& q/ L2 V# _& N/ U
: m* U9 s1 \* l8 c4 p/ @; e6 v
$ x+ }6 L' D1 s9 }; n# l數(shù)據(jù)傳輸性能. |/ V/ [& l. `* _+ p0 E4 Q
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 ~# h( \) U1 @$ a. r* U
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)1 w1 y: T* q, E: x
2 E) ?* q8 Z$ q# P# Q, q
0 n( [. c. W2 K2 T
02abrgiakfn64034865329.png (365.85 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
02abrgiakfn64034865329.png
2024-9-22 01:16 上傳
/ {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。' ?% u& z6 ~3 r4 G& f) r9 |
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 dNRZ: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 L% t# K) m% P
vw142wki0lh64034865429.png (345.23 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
vw142wki0lh64034865429.png
2024-9-22 01:16 上傳
7 I+ s: R+ `( A; T, ^4 i9 e! W V' S
圖7:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。& H+ i, F& k/ {( l2 }# p
) @ d! N9 U& j' D( Y
- G( i. i' {/ n8 j. ?) |RF-QCL性能/ B2 {0 b$ e) r" [/ ?
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:; y7 r* _5 I; X4 B7 C
! g2 B; c% l5 B( [1 d
1. 使用QCD接收器:2 h0 `, N2 s* [2 K7 j! p' u) q
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( V! y5 m( G5 N l
. v( k' E* M5 f6 B+ G
gqg5tymxpi164034865529.png (237.64 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
gqg5tymxpi164034865529.png
2024-9-22 01:16 上傳
# [& ]2 U: d4 l
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 ] ]) u6 T! S9 o; s" z9 `
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)+ A8 S" ~2 ]8 `/ q3 N
s3 @5 f. Y7 I* ?: \, O
& t4 f) f- Z" d( e1 z, j+ y2 x
kxn315ziaba64034865629.png (593.26 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
kxn315ziaba64034865629.png
2024-9-22 01:16 上傳
" @! v& V5 t- l4 R9 [
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。* I9 u; W* S5 [1 A" s4 S
4 S. W9 b! x3 u9 f% Y3 ^" ]$ ?: B7 N# x* L
挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)& o; [# o& n ?/ }
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]3 z7 @% a) m4 F" T+ a. i& O
結(jié)論% W6 _, \# ^/ g9 F& ?
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。/ c& |$ G# D) S* M
2 E+ ]! E9 a; e/ y2 ]7 w; x
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。
+ {) i4 x; K& i; ?* I6 C
+ 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。- g8 ?9 L. X o6 T- ~% s6 e
& @: T- s2 r: ^6 J9 g/ F( C" S9 F0 u4 u4 W
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. 2024.3 ^, B' M ?4 I/ a1 m) d# P+ m: `
o f9 j# K) ^4 m$ q1 a- END -1 |& E: f; Q! b
F6 D1 o$ Z% C$ m1 N4 b
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。# P8 q8 X! v6 `6 ~% \& w* w5 R
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)& V; Z& E- G1 @
. U; X% h* E( ~* `歡迎轉(zhuǎn)載
/ D0 S, p6 [) {# J; P- E+ o* u
0 I! ^2 i) t5 t6 i3 `3 T3 o2 E轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
; ~- j# _" K0 S9 i9 H" j" u7 K8 T- c' k' o( j5 {+ \
/ \( K6 ]& a% u1 Y1 D, k9 s
) l* V* [6 @, {1 |4 E% H
ufl340frkdy64034865729.gif (16.04 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
ufl340frkdy64034865729.gif
2024-9-22 01:16 上傳
9 p6 X8 h+ g R: V; X
& L7 v8 r6 q2 b5 o
關(guān)注我們
. j" @- i! }7 t6 Z* k( l0 h1 h o/ u; s
( R' V0 m2 R3 h1 D6 O4 G; r2 @
tvvq0q5mnky64034865829.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
tvvq0q5mnky64034865829.png
2024-9-22 01:16 上傳
+ r6 i, u: p1 Z# g/ ` K8 G | 4 `. p, F5 f; W/ q
skte531bvcc64034865929.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
skte531bvcc64034865929.png
2024-9-22 01:16 上傳
/ z+ Z: m) t, B | 7 W! a1 B, E$ E
vm51ilhawl064034866029.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
vm51ilhawl064034866029.png
2024-9-22 01:16 上傳
& w$ r4 u1 E; T
|
5 x: W7 ?% R1 m. t% y) p; a! S* Q) ]0 r7 H
( e# R7 x6 I, q! x1 @5 ?
3 Q) {- d6 D' V2 v7 I關(guān)于我們:
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)。
o) [! I$ E" T$ g: _3 f b2 O& d# q+ V) F( `# m
http://www.latitudeda.com/
* q3 c; q6 |; a" T/ F! y# }3 T5 S& p(點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|