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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。+ g. m2 V4 R9 ~! ]7 q. q
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 O9 G- {; _. A/ ?1 J; C$ X9 h
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6 `, z3 S f9 u& T8 ^6 q( e3 G. S2 m! s5 t1 p( g% w. O8 Y5 J
8 Q. A6 `$ B }% m8 Y2 W' V1 j9 m關(guān)鍵組件" | c% m3 h% u/ N' b! ?3 s
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。5 j0 O3 w) d# y2 G: o
: 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。9 t9 _/ y2 a7 S' ~; q9 D
. _8 w7 z+ s+ Y2 z8 A
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$ [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。9 M# v5 P9 p8 q- d! X
! 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]6 H, @8 q! q) [% `/ N! z }
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括:* \$ x6 X+ [- f: [, ^
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 `/ b7 Q* u& l% X( n7 v( T/ E. U
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- 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。, q% B# `, m! j O$ G0 l- X
# 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$ Z7 h' L* g' r
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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" K6 T0 U$ q3 h7 O- m" u; [9 g
這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括:
0 z7 i7 \% g5 M0 J' D" V& h! x d60 × 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* \3 J/ |% K2 g8 _9 r3 F
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]
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圖4:QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。# S8 t: I( l- Y
) Z4 `; m. Z) b) W, sQCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征:' K9 R- ]2 A [, e; m* m. R+ Q
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/ v' h6 y W+ n5 d. h5 f4 ~ Y
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]* u3 p- A) B# v- Z
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2 P+ U0 s" }% V* l6 M, l
圖5:FSO傳輸設(shè)置的示意圖。: t% l, U" j: {7 P
( z8 J+ E1 W# d2 m) n
J4 [" c1 M3 }$ @1 W3 U
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:0 y9 x2 j4 q* C4 i
[/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+ d& ?- \( Z( I8 K+ S9 D( K
/ }! q: Y* x( b. P
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4 F! R+ {. C& h. S圖6:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。; e5 G- r0 n8 [
) B. o/ n7 C# N
2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率:7 n, R- w! \2 J/ l! f5 M: W2 o
NRZ:38 Gbaud(35.7 Gbit/s凈比特率)PAM4:21 Gbaud(39.5 Gbit/s凈比特率)PAM6:15 Gbaud(35.2 Gbit/s凈比特率)
! M$ Q6 _7 m) k% G D/ w
: p @+ \) P# Z2 M! O
. o3 y: y2 f4 W+ J$ x
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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& R+ B. j* ]9 q2 c& b
" t; a1 S/ L/ \1 X; ^8 N( {4 M9 z) h
RF-QCL性能* |! W3 P; a1 N# A) I
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:* u- F4 y! v. E/ ]4 v% o
5 y) n. b' Q/ W+ v1. 使用QCD接收器:
0 v. @9 n3 r7 `6 M9 e7 R& jNRZ: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)0 M; c0 K# p$ r& y0 N
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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 S5 F' C' U" \' l( O+ s* C4 y
2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能:! Z' J9 q0 g0 ^9 [6 ^" s5 G7 n; B
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
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$ 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。$ e4 {6 ?6 F6 @6 |
/ |4 h4 ^ D9 O
9 h( }5 b# o; j9 r
挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)" u, l. G7 b5 c8 @. j
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]6 ` }; ?7 e ~8 `- X0 N7 _1 S
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 h3 ~0 a# a* Q7 G" z
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。$ Y o- d" m1 @$ e( f7 ? [! y6 J1 a
4 J, z& a2 B/ \: A# ]) A! y2 k
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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