Nature Communications更新 | 長波紅外自由空間光通信中的單極光量子器件

逍遙設(shè)計自動化

引言
本文介紹基于單極量子光電子器件的高速長波紅外自由空間光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在9.1 μm波長下實現(xiàn)了超過55 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

長波紅外(LWIR)大氣傳輸窗口(8-14 μm)為自由空間光(FSO)通信提供了獨特的優(yōu)勢。這個光譜區(qū)域結(jié)合了低大氣傳播損耗和對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展使得在這一波長范圍內(nèi)實現(xiàn)前所未有的數(shù)據(jù)傳輸速率成為可能[1]。
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8 i# e, d8 l  R

8 r' c* s' I; h! B1 J; F$ m關(guān)鍵組件
& X, H1 @( N) f/ ]/ h0 B高速LWIR FSO系統(tǒng)的核心由兩個主要組件組成：

發(fā)射器：直接調(diào)制的分布反饋量子級聯(lián)激光器(DFB-QCL)

接收器：高速量子級聯(lián)探測器(QCD)和量子阱紅外光電探測器(QWIP)
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讓我們詳細檢視這些組件。
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量子級聯(lián)激光器(QCLs)
QCLs是在中紅外到太赫茲范圍內(nèi)發(fā)射光的半導體激光器。與傳統(tǒng)的依賴電子-空穴復合的半導體激光器不同，QCLs使用重復堆疊的半導體多量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的子帶間躍遷。


圖1：兩種QCLs在15°C下測量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。
  e# F! v* w$ L: Q( N
在這個實驗中，使用了兩種類型的QCLs：

標準QCL：通過專用散熱設(shè)計優(yōu)化，以獲得高輸出功率。

RF-QCL：針對射頻特性優(yōu)化，具有增強的調(diào)制帶寬。
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: K# O( `/ s' s4 i9 LRF-QCL的設(shè)計改進包括：

更窄的寬度（4 μm，而標準QCL為2 μm）

外延面朝上焊接到切割的子裝載板上

短線鍵合，以實現(xiàn)高速操作

定制的pcb設(shè)計，帶有SMA連接器用于射頻注入
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圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。
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9 s5 T2 j4 Y5 u  K0 S6 m4 N" `RF-QCL展示了約10 GHz的調(diào)制帶寬，這是對先前設(shè)計的顯著改進。這種增強的帶寬對于在FSO通信中實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率非常重要。
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量子級聯(lián)探測器(QCDs)和量子阱紅外光電探測器(QWIPs)
在接收端，使用了兩種類型的探測器：QCDs和QWIPs。這兩種探測器都利用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的子帶間躍遷，使其成為LWIR通信中QCLs的理想伴侶。
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# u& \2 ?% n' e) Z) u圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類似。

這些探測器的主要特點包括：
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60 × 60 μm2的有效面積

50 Ω共面波導和空氣橋，以增強頻率性能

一維條紋陣列超材料設(shè)計

超材料設(shè)計提供了幾個優(yōu)點：

將入射電磁能量confined在亞波長腔內(nèi)的TM01模式中

將電場垂直對齊，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
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: t1 P  I& r7 m# {7 g: l7 A  y圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。

! n" y6 H# u0 C, Q' l" }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)級優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳整體性能。

" t- U" O5 P; k8 Y) l實驗設(shè)置
2 _+ S# Y! U; b$ V4 Z, M& s, u3 R6 n0 FFSO傳輸設(shè)置由以下關(guān)鍵組件組成：

信號生成：任意波形發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生各種調(diào)制格式（NRZ，PAM4，PAM6）。

信號放大和合并：電放大器boost信號，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）。

光束準直和聚焦：ZnSe非球面透鏡準直QCL輸出并將其聚焦到探測器上。

探測器：使用QCD或QWIP進行信號檢測。

信號放大和采樣：檢測到的信號經(jīng)放大后由實時數(shù)字存儲示波器(DSO)采樣。

數(shù)字信號處理(DSP)：進行離線處理以評估性能。
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圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。
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數(shù)據(jù)傳輸性能
系統(tǒng)性能通過使用不同的QCLs（標準和RF）和探測器（QCD和QWIP）組合進行評估。測試了各種調(diào)制格式，包括非歸零(NRZ)和多電平脈沖幅度調(diào)制(PAM)。
1 A$ r$ ?# U2 n  _
標準QCL性能

使用標準QCL和QCD組合：
- c4 j/ j( S/ i6 X3 s5 _  R! J7 x[/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）


! q1 q3 R; M1 I. Y+ g9 r
8 _, v% ]* R- A$ @, k2 d# Q; }0 V圖6：標準QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

6 Z) u6 M  n, u% d5 y( Q3 |5 L2. 標準QCL和QWIP組合實現(xiàn)了更高的符號速率：
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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）
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' z' S, r) x, X0 @5 Y2 ~圖7：標準QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。
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0 w# [% i1 Q% K6 m9 O+ e5 bRF-QCL性能
RF-QCL憑借其增強的調(diào)制帶寬，實現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)速率：

1. 使用QCD接收器：
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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）
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圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
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3 r# N$ p6 k: B6 F3 e/ @6 \2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能：

NRZ：55 Gbaud（51.7 Gbit/s凈比特率）

PAM4：30 Gbaud（56.4 Gbit/s凈比特率）
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圖9：RF-QCL與WQIP接收器的BER結(jié)果和眼圖，顯示了能達成的最高數(shù)據(jù)速率。
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7 G+ J0 r5 ^' w- F" q$ m+ k3 b+ d* i挑戰(zhàn)和未來改進
盡管演示的系統(tǒng)實現(xiàn)了LWIR FSO通信的前所未有的數(shù)據(jù)速率，但仍有幾個潛在的改進領(lǐng)域：

RF-QCL輸出功率：增強散熱設(shè)計可以在不降低操作溫度的情況下提高輸出功率。

探測器響應(yīng)度：優(yōu)化QCL發(fā)射波長和探測器響應(yīng)度峰值之間的對齊可以改善系統(tǒng)性能。

探測器帶寬：將條紋陣列設(shè)計替換為patch陣列布局可能會同時增強QCD和QWIP的性能。

傳輸距離：當前設(shè)置由于precise聚焦要求限制在20 cm。需要engineering努力來extend傳輸范圍，以滿足實際應(yīng)用需求。
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結(jié)論
本文探討了使用單極量子光電子器件實現(xiàn)高速LWIR FSO通信的關(guān)鍵組件和技術(shù)。通過將優(yōu)化的QCLs與高性能QCD和WQIP探測器相結(jié)合，在9.1 μm波長下實現(xiàn)了超過55 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。
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6 r. y+ P, ?  V0 n6 ZLWIR大氣窗口為FSO通信提供了獨特的優(yōu)勢，包括低大氣傳播損耗和對湍流的高抗性。隨著這項技術(shù)繼續(xù)成熟，有望實現(xiàn)各種應(yīng)用的高容量、長距離FSO鏈路，包括地面和衛(wèi)星通信。
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$ C  F& Z+ C" m: u4 ?, K未來的研究方向包括進一步優(yōu)化QCL輸出功率和調(diào)制帶寬，改進探測器設(shè)計和性能，以及engineering解決方案以extend傳輸距離。隨著持續(xù)的進步，基于單極量子光電子器件的LWIR FSO通信系統(tǒng)將在下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。
& \, ]( i" O- h0 F8 I# N1 T) x
& \. \/ M$ ]  _! _0 K
參考文獻
$ i8 m  Q. K: ]6 W9 @/ b[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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