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
' Y; F9 o( [. r  K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。

6 _( x0 |/ E' d4 L$ z+ r- E1 {9 L2 c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]。
6 R+ I" A+ h7 ]; v+ q# R9 O

6 `, z3 S  f9 u& T8 ^6 q( e

8 Q. A6 `$ B  }% m8 Y2 W' V1 j9 m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)
* W7 J3 Q; l- D[/ol]
! R2 Y2 p8 B/ h3 t+ ]讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。

: z0 }# a5 B: Z# u5 S. o2 N( g量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
: S  C" g% b3 N; [: iQCLs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(lài)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。

. _8 w7 z+ s+ Y2 z8 A
$ [0 q0 b2 Y5 @. M0 v' m% ^圖1：兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。

! q+ Q7 g) }" s, Z4 C3 C& K+ l在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用了兩種類(lèi)型的QCLs：

標(biāo)準(zhǔn)QCL：通過(guò)專(zhuān)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。
; T3 X9 c" }, ]( U/ u4 ]  j/ G[/ol]
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括：

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
0 Z( c0 \! l  X; R- F0 `/ b

  g+ l: r6 N: I* U
- o: N4 w) c  J- h圖2：使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。
  N6 i5 U$ ~. i7 I
# u+ N  |: D! }4 PRF-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* X" m% I, U( ?量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)
+ U: |6 A2 U3 x$ }% m& U在接收端，使用了兩種類(lèi)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。
6 i8 p7 d" b! M# z

圖3：QCD的SEM圖像，其布局與QWIP類(lèi)似。
; O# @1 @1 P6 I9 E1 p! Y% w' M" K
這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括：
0 z7 i7 \% g5 M0 J' D" V& h! x  d

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)
. q/ v' i. t2 f1 z5 X* \
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
4 s8 o3 f# H4 M, L* ?6 \  W" X[/ol]
( i; L# n3 a0 o+ f, V

圖4：QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。

) Z4 `; m. Z) b) W, sQCD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）
( G5 I2 c3 `* f# J4 q7 d
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。
9 z9 d0 f2 f# U/ M3 d
6 v( [& c) C) g2 H7 L  N實(shí)驗(yàn)設(shè)置
6 l% O) M. B/ N2 J/ xFSO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。
; c" M% r: @/ U: i  a5 U( T8 M[/ol]

- o$ x% x: I, F! ]4 N" ]8 F
圖5：FSO傳輸設(shè)置的示意圖。


數(shù)據(jù)傳輸性能
# E$ R* p4 \9 p$ E% N% A" g4 `+ I0 n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)。
- g/ Y$ h7 {- L0 s8 a. P! T: A! ~! n
0 F) W* q) @6 e& q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）
4 ?4 M5 t7 C' [2 j* A1 F


4 F! R+ {. C& h. S圖6：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。

2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率：

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）
! M$ Q6 _7 m) k% G  D/ w
: p  @+ \) P# Z2 M! O
. o3 y: y2 f4 W+ J$ x
圖7：標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。
; @& u8 A6 k, m6 [6 j9 b

RF-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：

5 y) n. b' Q/ W+ v1. 使用QCD接收器：
0 v. @9 n3 r7 `6 M9 e7 R& j

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）

8 ?! b% c; P! A0 {/ ~

圖8：RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
( J# i8 X2 Y& I  h" T0 M+ Z; d" k! B1 S
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）
9 @/ W# [, L, g7 N5 v# {
  E) D; J, T) z
9 l  X2 j/ t  Y$ q$ n$ I
$ G- j, _5 Z) N' z. H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。


挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)
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。
. y' y2 K' t5 r( f( b[/ol]
結(jié)論
0 \7 k1 n6 S; W  v8 x, x2 a$ P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。
9 n2 c" d6 _" \" x- |# b& {
; P6 K( C( u: C; z9 l3 qLWIR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。
3 _8 w: H! Y- D$ T4 h
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。


2 `: W4 u& v: i( U' u7 ]參考文獻(xiàn)
: ?. f7 r& ]( p- h5 O, J[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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