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55 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
  _) _( g/ J% B2 I7 J+ E
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]。
& O5 Q+ o- i" A- h

% A( P7 J( _: |

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)
% ^! E# w7 u0 c% O" C[/ol]
, o* R- [7 n8 d3 a& Q讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。
' \" Y! C3 f* ~. A+ w
量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
$ K8 P! z+ a" D1 L* W7 _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。

/ V& [- W0 v9 a1 e7 z6 s
圖1：兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。
0 d6 h. }0 K- U- L+ Z* [
/ v- }. P9 E( J' I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。
9 }7 |) L2 C- y" b# u* M[/ol]
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括：
% c! M# `" v5 c/ ^. }

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

! d* i' g% c; u) E9 {9 O7 i
% ?4 c# y9 }% {$ A
圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。

1 q7 {1 m% ^: ZRF-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。

量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)
+ p( {8 q! r; t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。
7 G5 x. t! ^# \0 T2 B( m

圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類似。
$ L/ |. B4 E+ ?' a
這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括：

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)
  L3 f1 @2 ^+ ?+ i4 V
5 ~5 F6 t/ n$ j7 j( H" c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
& X, ^5 g0 z4 h) p" q/ Q2 f[/ol]
" v2 h$ g7 [% z' f
# k6 o$ P3 J/ u2 W
圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。
: o0 |2 W# L* u% B2 S+ N. Z+ O
QCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征：
3 [6 C$ |8 q: R& s; d$ g( F6 N7 n

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）
' t0 J6 N; z1 O8 s5 F
4 g( D$ U4 S& \* c0 v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 `+ c4 D0 h0 d# R+ c
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
  V4 J2 @' X# `/ BFSO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。
[/ol]
2 U& X; \8 ~- m. C8 V; A' |7 z
! i- t/ H( g: P- n' J3 n/ l
圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。
& B; L4 s( h" V8 i. L5 z& @0 ~

數(shù)據(jù)傳輸性能
# e3 Y" i: z' d系統(tǒng)性能通過使用不同的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)。

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）


  C6 e- l8 x8 p/ d! d+ K( K
- n% W3 s9 H* M2 Q; e* k圖6：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
/ j- O5 s# ^% C" q# D; F
% W# E) v8 w  W" H2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率：
4 e/ X1 r; D2 W( O4 m

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）


1 K1 o  v) |6 q* F( G  l2 ~
5 u8 Z- e  [( F圖7：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。


$ A  p# P$ c5 H# K' o0 P2 URF-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：

+ M8 D' B  N3 R" C$ W5 `1. 使用QCD接收器：
" e  {, d. S8 M' Z* r, J) s

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）
. s9 x  _2 T5 Y% I: [1 d+ h3 d


  N4 f) G& o5 H圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

/ k, N# j) l. R2. 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）

$ y0 u# r* N5 v, E/ m+ s) }

9 I. J4 b/ A# T: F7 y# x4 F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。

+ b4 @# u6 I- q( P
. L- w) h, U/ Z" X1 r$ c挑戰(zhàn)和未來改進(jìn)
: ]; Y4 J0 l" d1 k4 F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extend傳輸范圍，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
' [+ M1 Y4 t4 \& i* b! k; Y[/ol]
$ @6 N8 r2 Q( y/ X: w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。

未來的研究方向包括進(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)將在下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。
: A) S: l6 M  h' g7 x8 Y8 _
( V; S8 P" I3 B9 S8 Y- D7 v
! R' i9 V0 d8 x9 k; U; m. H參考文獻(xiàn)
  \9 F- {0 F- {4 I" B+ b9 ]& N[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.
( H7 t9 m7 _' n! A$ b5 f
- END -
$ A& U9 z+ U1 z% `  u
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。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
3 n: M' k7 T; D7 F# R% _& D點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
. {1 H" p/ ?5 p0 G
" n4 k9 \1 r& q# u; h" V歡迎轉(zhuǎn)載
( v0 L8 ^( L6 I& u8 q5 x
5 l8 P2 O; A1 f1 |3 x7 S轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

; k& v1 o* a+ l
7 n( ]( {! g  o1 r


( Y- V) V3 ?2 S關(guān)注我們
4 a6 I. p2 A6 i* S0 ~5 P9 \* z

# I1 k" X" W/ \  W ; ^7 {) c, x1 G5 [$ [4 _2 u

" U+ D- J; E" N9 b2 s$ R

- }& n. x/ b" M3 Y6 q  P# b) y

                     
* T) W0 W% h# h% k- Q


7 q  _) N. A' ]* m, ]關(guān)于我們：
$ R! x; q; L; Y" z7 d2 D- C1 a* w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)。

http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）