Nature Communications更新 | 长波红外自由空间光通信中的单极光量子器件

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引言
本文介绍基于单极量子光电子器件的高速长波红外自由空间光通信系统。该系统在9.1 μm波长下实现了超过55 Gbit/s的数据传输速率。

长波红外(LWIR)大气传输窗口(8-14 μm)为自由空间光(FSO)通信提供了独特的优势。这个光谱区域结合了低大气传播损耗和对湍流及其他大气干扰的高抗性。最近在单极光量子器件方面的进展使得在这一波长范围内实现前所未有的数据传输速率成为可能[1]。
$ a% `2 D, f0 x6 q

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0 t* ~6 w9 d5 X0 Y' p+ e# _

5 @2 X) d; j2 W0 d* l' N% N关键组件
高速LWIR FSO系统的核心由两个主要组件组成：

发射器：直接调制的分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)

接收器：高速量子级联探测器(QCD)和量子阱红外光电探测器(QWIP)
" }, I0 U. Q  }2 ~8 e[/ol]
! b9 w2 K4 G3 S; g让我们详细检视这些组件。

9 ~6 r, ~' ?) R( x6 w$ x量子级联激光器(QCLs)
3 p) ^  {/ W) c7 ?* j" PQCLs是在中红外到太赫兹范围内发射光的半导体激光器。与传统的依赖电子-空穴复合的半导体激光器不同，QCLs使用重复堆叠的半导体多量子阱异质结构中的子带间跃迁。
. m3 O" h8 `! p4 C& i) r+ T, r- G
% Q# d! {" D" O9 R" \

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) @5 Y! L" X3 a* {4 J) x图1：两种QCLs在15°C下测量的光-电流-电压(L-I-V)曲线。

6 K6 F% @/ N$ ]4 |3 W( u在这个实验中，使用了两种类型的QCLs：

标准QCL：通过专用散热设计优化，以获得高输出功率。

RF-QCL：针对射频特性优化，具有增强的调制带宽。
% Y) z% w6 D9 T  M9 c7 h2 t[/ol]
: p' ^, \) D2 t( f; M' ]3 ERF-QCL的设计改进包括：

更窄的宽度（4 μm，而标准QCL为2 μm）

外延面朝上焊接到切割的子装载板上

短线键合，以实现高速操作

定制的pcb设计，带有SMA连接器用于射频注入
6 i$ U9 k5 R/ _) M5 L' A7 A0 T/ I

7 Q; T$ S* @  l0 X, F) a6 B

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) j. k0 K) d7 Y3 j/ U/ g- ]图2：使用电整流法characterization RF-QCL的调制带宽。

RF-QCL展示了约10 GHz的调制带宽，这是对先前设计的显着改进。这种增强的带宽对于在FSO通信中实现高数据速率非常重要。

量子级联探测器(QCDs)和量子阱红外光电探测器(QWIPs)
$ R7 {3 D+ ?/ U2 o4 p' A/ R4 m在接收端，使用了两种类型的探测器：QCDs和QWIPs。这两种探测器都利用半导体异质结构中的子带间跃迁，使其成为LWIR通信中QCLs的理想伴侣。
* Z6 m6 z6 \$ q6 W

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2 `; C7 E8 T; [! V图3：QCD的SEM图像，其布局与QWIP类似。
0 H. ]6 Q. n! j+ v; R
这些探测器的主要特点包括：

60 × 60 μm2的有效面积

50 Ω共面波导和空气桥，以增强频率性能

一维条纹阵列超材料设计
4 U$ X4 v, P+ l
超材料设计提供了几个优点：

将入射电磁能量confined在亚波长腔内的TM01模式中

将电场垂直对齐，满足子带间跃迁的极化选择规则

减少器件的电气表面，降低噪声和电容
[/ol]
: F% I2 S" _; x6 c+ b
! `, t' \# C9 U6 i- f

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图4：QCD和QWIP在室温下的响应度spectra。

QCD和QWIP展现出不同的性能特征：
5 g0 l8 A, F" m5 R* k

QCD：更高的带宽（~12 GHz），较低的响应度（26 mA/W峰值

QWIP：略低的带宽（~9 GHz），更高的响应度（320 mA/W峰值）
8 R$ U/ y  n5 @% P$ I: c
* F1 s# {6 Q" r8 R. \( A这些权衡需要小心的系统级优化，以实现最佳整体性能。

实验设置
# G/ Q3 B) p. w3 k  k2 J" C+ F! K% v: ~FSO传输设置由以下关键组件组成：

信号生成：任意波形发生器(AWG)产生各种调制格式（NRZ，PAM4，PAM6）。

信号放大和合并：电放大器boost信号，然后使用高电流宽带bias-tee将其与DC偏置电流合并。

QCL安装：QCL安装在Peltier元件上，以稳定温度（15°C）。

光束准直和聚焦：ZnSe非球面透镜准直QCL输出并将其聚焦到探测器上。

探测器：使用QCD或QWIP进行信号检测。

信号放大和采样：检测到的信号经放大后由实时数字存储示波器(DSO)采样。

数字信号处理(DSP)：进行离线处理以评估性能。
[/ol]
3 x7 a; C( `- G& H/ {
: z: v5 Z( ]9 t  \$ o

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图5：FSO传输设置的示意图。
0 q, z; }3 r& u: C1 P  i2 r- q3 F+ o, [

数据传输性能
系统性能通过使用不同的QCLs（标准和RF）和探测器（QCD和QWIP）组合进行评估。测试了各种调制格式，包括非归零(NRZ)和多电平脉冲幅度调制(PAM)。

0 Y7 `! `2 T+ G, V1 a, f标准QCL性能

使用标准QCL和QCD组合：
( U7 ^/ k: G# X  {[/ol]

NRZ：33 Gbaud（31.05 Gbit/s净比特率）

PAM4：18 Gbaud（33.8 Gbit/s净比特率）

PAM6：13 Gbaud（30.5 Gbit/s净比特率）
+ T! F6 C/ g' y+ |

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图6：标准QCL与QCD接收器的BER结果和眼图。

& ~3 k6 v# D& }- z5 W" b( B2. 标准QCL和QWIP组合实现了更高的符号速率：

NRZ：38 Gbaud（35.7 Gbit/s净比特率）

PAM4：21 Gbaud（39.5 Gbit/s净比特率）

PAM6：15 Gbaud（35.2 Gbit/s净比特率）

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; A. H( d/ D) [9 `+ E图7：标准QCL与QWIP接收器的BER结果和眼图。
+ e8 j4 r! k/ B  R* W' Q6 T+ S

RF-QCL性能
4 V9 t, i) @8 L( F0 u# qRF-QCL凭借其增强的调制带宽，实现了更高的数据速率：

1. 使用QCD接收器：
9 ^4 M/ i  s" ^6 ]7 P

NRZ：42 Gbaud（39.5 Gbit/s净比特率）

PAM4：由于SNR限制，限制在5 Gbaud（9.4 Gbit/s净比特率）
* r' Y. O  X% C0 \

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1 G+ \8 e! J- {图8：RF-QCL与QCD接收器的BER结果和眼图。
. Y: D1 @) H5 B. M' ^+ s& Z, t( G; X
2 g" D! |" [% Y6 [) M, j2. RF-QCL和QWIP组合产生了最高的整体性能：
( Y% H! j- S, }9 i* L

NRZ：55 Gbaud（51.7 Gbit/s净比特率）

PAM4：30 Gbaud（56.4 Gbit/s净比特率）

( V4 A) O1 e3 [* D
% V7 f! P. j- ^: J

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5 n1 y" p& a( h" R  e0 \; K- {& H) d, ]* {图9：RF-QCL与WQIP接收器的BER结果和眼图，显示了能达成的最高数据速率。

- V$ o# v! K" r5 v1 Z* |, F" s+ s0 }
* @! \9 h+ H( X4 n6 f* z+ d, D挑战和未来改进
% d% P7 W  ^, z, |" p2 f7 X尽管演示的系统实现了LWIR FSO通信的前所未有的数据速率，但仍有几个潜在的改进领域：

RF-QCL输出功率：增强散热设计可以在不降低操作温度的情况下提高输出功率。

探测器响应度：优化QCL发射波长和探测器响应度峰值之间的对齐可以改善系统性能。

探测器带宽：将条纹阵列设计替换为patch阵列布局可能会同时增强QCD和QWIP的性能。

传输距离：当前设置由于precise聚焦要求限制在20 cm。需要engineering努力来extend传输范围，以满足实际应用需求。
[/ol]
' }( m. i( t5 ]; E. ~结论
本文探讨了使用单极量子光电子器件实现高速LWIR FSO通信的关键组件和技术。通过将优化的QCLs与高性能QCD和WQIP探测器相结合，在9.1 μm波长下实现了超过55 Gbit/s的数据速率。
0 b2 c1 l# j$ N- j1 C0 f" v- j2 O! s
% {# o7 U3 l4 x, V( L2 [LWIR大气窗口为FSO通信提供了独特的优势，包括低大气传播损耗和对湍流的高抗性。随着这项技术继续成熟，有望实现各种应用的高容量、长距离FSO链路，包括地面和卫星通信。

4 q. b& ?: U1 w$ V2 K3 ]! R4 h( R未来的研究方向包括进一步优化QCL输出功率和调制带宽，改进探测器设计和性能，以及engineering解决方案以extend传输距离。随着持续的进步，基于单极量子光电子器件的LWIR FSO通信系统将在下一代无线通信网络中发挥重要作用。
! J9 `! ^" [. r8 `% U. W8 m

7 f, L$ x9 M4 G! H4 Q. Z+ K参考文献
/ W) f7 k4 f9 f& G[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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7 ~% U5 t+ U! C0 I/ q, E深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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