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引言
8 o$ d6 |! D9 M2 q4 r6 o6 f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。4 D' J0 t( @: W2 f2 d5 u: {. v: m
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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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1 N# M6 ]8 Q, U& V關(guān)鍵組件
& s8 h5 O& j+ c0 D% w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)6 j$ G; r, ]( I4 N
[/ol]
9 u0 Q# J/ |7 F% N* ^. {( L讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。
" a5 ?+ o7 j' ]! P, t( b) j! c8 g2 |$ z* l7 a: T; }
量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs), v8 K! l' u1 J+ E/ [
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。
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$ e/ Y* }! L) y圖1:兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。' P% z& N' R! \7 y
' @4 u6 i; c' J& T4 B3 |. p/ i: f$ u4 \
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。% Z: |# u% g4 a+ T* G$ e4 ?- O
[/ol], s4 g1 B) r6 b6 |! k2 B# M% V: T; j6 @
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括:
/ w$ Z: S+ D; J8 m. i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
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' U3 \4 d; L$ _圖2:使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。% ^4 O* k: M) t2 Z$ i7 Q
- t& ? J8 g$ o8 s6 X" y0 T
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。
R" w3 s$ K0 _- E* b5 ]' ]
) B# r' a9 x9 I6 v G5 Z ? V$ w量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)% ?8 m8 U! k U. y
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。
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圖3:QCD的SEM圖像,其布局與QWIP類似。
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這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括:
5 b+ r3 D+ S/ S. D% Q" t8 Z; V3 L60 × 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)" c) c5 N6 X9 N6 P9 {" `3 K
# Z& Y; J: r. |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+ P) Q* ]( H* z3 G2 G
[/ol]) d( G: i D5 P' E0 p6 r7 g
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1 e/ C, D* s) F. f圖4:QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。
- d8 m9 M8 j! K( P8 C! S
1 m7 N$ o' A; O: M% M; ~# fQCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征:2 s; D( g8 O* y# g0 ]( b
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)) Z _7 K1 j) W
% W/ J( }5 X9 M5 D9 {) ]
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。 Y8 ?7 Z4 A+ l/ N/ i' S7 O
3 S7 {) ^- d9 x4 [: p3 e" p實(shí)驗(yàn)設(shè)置( H/ t8 q% t, s' n0 J, Y2 N6 @* D
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)行離線處理以評(píng)估性能。
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: c$ \ V; _' p5 X/ Q圖5:FSO傳輸設(shè)置的示意圖。/ g0 K; f, g8 B* r1 g+ \, y- Q
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數(shù)據(jù)傳輸性能
! x# S5 ]' o+ B* E- S2 {' ]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)。
+ X9 n5 B) s2 B5 J% `" T/ o2 y5 r- V$ H# B
標(biāo)準(zhǔn)QCL性能使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合:% l4 j8 J9 ]& h* f( b
[/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)
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! V0 u, g; E: K; t& W" L, k# O! t3 H
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2 A7 s! k$ \- \# y H5 \" z圖6:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
0 }! R9 k; O$ [+ x( o8 g: D* m; P. \% U
2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率:* R" @0 _' U" b) Y) ?, Q8 n7 A* ]
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)
8 L3 ~ n, c* s: j! ^
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2 o" ]2 r$ F6 N% ~. H" u4 F9 C
圖7:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。; b |8 ?/ \9 @0 j; [' F
) k- r6 |$ K: |, |3 M
# u5 o/ _5 S2 |; W* q+ e0 cRF-QCL性能
! ^; x( X8 Q: Q- R+ [/ TRF-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:
+ G" _# e* n* c3 I
; m H: G& d9 Q |3 S: N1. 使用QCD接收器:
# E: R7 d3 A% fNRZ: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)
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6 G+ U3 R6 W7 A5 q- q圖8:RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
+ s( P) q/ U) o9 J" f8 Y. ]$ f, E2 y: E
2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能:0 z) d" x9 i! |. m6 M6 E
NRZ:55 Gbaud(51.7 Gbit/s凈比特率)PAM4:30 Gbaud(56.4 Gbit/s凈比特率)
1 X( k8 R; P# S3 @
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3 S& ?+ |( ? ~/ O {. c, b
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。6 _' A( b4 D: c5 P* P2 \6 R: i: |
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挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)
$ _: P1 |" \; G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 b7 T# X* W- ]! l! a& K5 H[/ol]
2 r$ s N4 m( A+ [( z結(jié)論% c* `, n _6 W% z6 j
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。2 o2 G8 r) \2 W
& T! k* d$ [- V5 I7 n. {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。
' u3 D% Z3 L) u$ a9 l8 ~ J/ A5 U, f) B
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。
. K3 R( T7 S& F7 r8 P" R$ X+ O5 g8 f M) v! q' W( p
5 x! q U r2 b' j' p4 c3 L參考文獻(xiàn)
2 R* F8 N7 P6 s z9 W[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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