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引言7 D6 m- r, w3 P5 G: ~# @4 ?' c4 r
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。
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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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關(guān)鍵組件5 X) ~2 M" n/ j1 l/ h" h8 e
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。
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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。* [" _- v1 p- Y' C- d
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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]2 v+ q* h5 s& Q* Q- M2 q1 |9 `9 f
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! U) D9 W6 i$ Y5 E
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圖2:使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。: M- C, o) H, ] {$ y
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。. A s1 `3 h! ^) ~0 n8 Q. h
& ^) Y, |/ J( G7 R* [1 }
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。
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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 |6 i9 |/ [( O" c: c8 f
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]
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圖4:QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。
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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 nQCD: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+ c0 a! M5 l( r. Q5 d5 G+ D; D6 \! H$ 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。: G2 \, e8 O$ N' ^; b3 t( g# R/ A# t
[/ol]
2 U& X; \8 ~- m. C8 V; A' |7 z
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圖5:FSO傳輸設(shè)置的示意圖。
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3 F1 Y4 g0 \6 F8 c* \
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)。+ T( k) Y0 {3 W6 N& }1 P) w( I
Z. b/ G6 B2 B* j2 p
標(biāo)準(zhǔn)QCL性能使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合:( P* L. z0 z& l; O9 j7 E0 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)0 Y8 i# l4 v8 h. H
( s' u* A- Q/ q# v
C6 e- l8 x8 p/ d! d+ K( K
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- 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。
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% 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 mNRZ: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)# K1 L: s) o4 c0 I8 Z9 a& |
8 J0 e/ x r- X& L% R
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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。; {8 S- ~) Z" C! S9 p+ ~. ~# w
" a! W5 r8 l+ o _3 Z) U" R3 i" y$ T
$ A p# P$ c5 H# K' o0 P2 URF-QCL性能' V5 l3 ^/ U3 ]% o* K
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:& n# N8 a& B9 g3 G5 p9 d" v0 N2 f
+ M8 D' B N3 R" C$ W5 `1. 使用QCD接收器:
" e {, d. S8 M' Z* r, J) sNRZ: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( v7 [4 q8 b0 P' m: t
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N4 f) G& o5 H圖8:RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。9 J/ p7 Y% [% _ v
/ k, N# j) l. R2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能:; |$ I* H: L$ ^; s3 u4 p
NRZ:55 Gbaud(51.7 Gbit/s凈比特率)PAM4:30 Gbaud(56.4 Gbit/s凈比特率)1 E( g Q# R2 l) ~: x5 L
$ y0 u# r* N5 v, E/ m+ s) }" H# r' ]7 z. w, L
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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。( `; p( J; {! E% A: j7 r( m
+ 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3 q* ^1 V8 a. ~
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。9 E6 |+ n0 s! R
3 [4 Q3 \: f$ e& h0 I+ U
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。# w4 {9 x; N) m: Y1 ?1 [
& n6 d0 N4 M6 C! U- i- w; J/ [
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 _
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! 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 f3 q: d: `- _# j& J) |% ~% L
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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)。3 `) Z3 `) n" u6 q7 K
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