江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

比特率超過10 Gbit s 1的自由空間光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸通過在室溫下使用單極性量子光電系統(tǒng)在9μm波長下進(jìn)行演示，該系統(tǒng)由量子級聯(lián)激光器、調(diào)制器和量子級聯(lián)檢測器組成。這種高比特率數(shù)據(jù)傳輸?shù)难菔緦螛O性量子器件設(shè)置為開發(fā)中紅外甚高頻光電系統(tǒng)的最佳平臺，用于數(shù)字通信和高分辨率光譜學(xué)等多種應(yīng)用。

1介紹

單極量子光電子學(xué)(UQOs)是一組在室溫下工作的中紅外(λ 4-16)μm的半導(dǎo)體器件，帶寬可達(dá)幾十GHz。該器件利用了在技術(shù)成熟半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中形成的量子限制的2D電子態(tài)。因此它們是單極的，因?yàn)殡娮邮俏ㄒ淮嬖诘妮d流子。UQOs使光電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的不同器件產(chǎn)生復(fù)雜的功能和操作。在中紅外中，這是非常受歡迎的，不僅在技術(shù)應(yīng)用上，而且在解決基本物理問題上。在基礎(chǔ)方面，UQOs器件的相干組裝可以為量子測量設(shè)計(jì)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)安排，例如研究量子級聯(lián)激光器的非經(jīng)典態(tài)發(fā)射。在這個意義上，UQOs將極大地?cái)U(kuò)展光電應(yīng)用和量子光學(xué)到中紅外/太赫茲(THz)區(qū)域。

在這項(xiàng)工作中，我們介紹了用于8–14μm大氣窗口中數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢QO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括連續(xù)波（cw）量子級聯(lián)（QC）激光器、外部調(diào)制器和QC檢測器（圖1）。與之前基于直接調(diào)制QC激光電流的研究不同，我們的系統(tǒng)使用高頻外部調(diào)制器將數(shù)據(jù)位寫入激光發(fā)射，該調(diào)制器通過將光學(xué)躍遷的吸收移入和移出激光頻率來工作。該裝置設(shè)計(jì)用于避免電荷位移或電子耗盡，因此與激光的直流調(diào)制相比，它具有固有的大帶寬和極低的功耗。在未來，這些器件的光子集成將進(jìn)一步提高其性能，并使量子技術(shù)領(lǐng)域在紅外和太赫茲頻率范圍內(nèi)進(jìn)一步擴(kuò)展成為可能。

圖1 a）量子級聯(lián)激光器、b）Stark調(diào)制器和c）量子級聯(lián)探測器的導(dǎo)帶剖面和相關(guān)電子狀態(tài)的草圖。d）實(shí)驗(yàn)草圖包括QC激光器、Stark調(diào)制器和QC檢測器，所有這些都在室溫下和相同波長下工作，即9μm（138 meV）。該激光器為商用連續(xù)波分布式反饋QC激光器（Thorlabs QD9000HHL-B）。調(diào)制器和檢測器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)、制造和安裝，可在高頻下工作。插圖顯示了通過空氣橋連接到共面波導(dǎo)的調(diào)制器的SEM圖像。e）Stark調(diào)制器的射頻封裝。f）Stark調(diào)制器的光耦合幾何結(jié)構(gòu)示意圖。該幾何體符合偏振選擇規(guī)則。

2系統(tǒng)說明和高頻設(shè)備

系統(tǒng)如圖1d所示。來自商用分布式反饋（DFB）QC激光器（圖1a）的光照射在寫入信息的調(diào)制器（圖1b）上，該信息隨后由檢測器讀?。▓D1c）。光束在調(diào)制器中的傳播如圖1f所示：光通過60 楔形物耦合到調(diào)制器中，以增加耦合長度并促進(jìn)激光束對準(zhǔn)。在這種幾何結(jié)構(gòu)中，調(diào)制器引起的插入損耗為 4分貝。為了在高頻下工作，探測器和調(diào)制器被加工成臺面結(jié)構(gòu)，通過低電感頂部接觸的空氣橋與50Ω共面波導(dǎo)電連接。

圖2a所示的頻率響應(yīng)在50 50μm2 QC檢測器的5 GHz下幾乎平坦到設(shè)備截止。有兩種不同的方法被用來測量這種響應(yīng)：一種是基于非線性電流-電壓（I–V）特性的整流技術(shù)（紫線），另一種是通過將中紅外頻率梳（Menlo系統(tǒng)FC1500-ULN）照射到探測器上獲得的直接光學(xué)測量（綠線）。光學(xué)齒之間的跳動顯示為100 MHz間隔的拍音。圖2b顯示了以非常接近激光發(fā)射能量為中心的探測器光電流譜（綠色虛線），而面板（c）顯示了光電流作為入射cw激光功率的函數(shù)。

圖2 室溫下量子級聯(lián)探測器特性。a） QC探測器的頻率響應(yīng)，使用整流技術(shù)（紫線）和中紅外頻率梳（綠線）測量，齒間距為100 MHz。b）在室溫下測得的光電流譜，以非常接近激光發(fā)射線（綠色虛線）的能量為中心。c）在連續(xù)波操作中，光電流是入射激光功率的函數(shù)。

為了充分利用探測器的大帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了一種基于線性斯塔克效應(yīng)的極快外部調(diào)制器，它避免了電荷耗盡門的實(shí)現(xiàn)，從而減少了固有寄生電容。調(diào)制器是在GaInAs/AlInAs材料系統(tǒng)中制作的非對稱量子阱，在1.5 1018 cm 3處摻氮在較寬的井中（見圖3a）。這種斯塔克位移源于這樣一個事實(shí)，即狀態(tài)1中的電子概率密度基本上局限于大量子阱，而狀態(tài)2中的電子概率密度則局限于薄阱。在應(yīng)用的偏差下 , 躍遷E12的能量位移等于兩個分布重心之間的電勢下降（參見圖3a插圖）。

圖3 a） 在+4 V（藍(lán)線）和 4 V（黑線）。綠色虛線表示激光發(fā)射能量。b）斯塔克調(diào)制器的時間操作。c）截止頻率是設(shè)備尺寸（符號）的函數(shù)，通過僅包括設(shè)備的幾何電容（橙色連續(xù)線）進(jìn)行模擬，并考慮由于小型設(shè)備的非理想電容效應(yīng)（黑色虛線）而產(chǎn)生的61 fF的額外電容進(jìn)行模擬。d）通過調(diào)制器測量（點(diǎn)）和模擬（線）透射率，作為施加電壓的函數(shù)。

在圖3a中可以看到，在+4 V（藍(lán)線）和 4 V（黑線）。因此，光學(xué)躍遷E12處的吸收可以與激光發(fā)射能量共振，作為施加偏置的函數(shù)進(jìn)行調(diào)諧，如圖3b所示，圖3b示出了作為時間函數(shù)的設(shè)備操作。E12躍遷的這種斯塔克位移誘導(dǎo)了對器件吸收的激光功率的調(diào)制，而沒有任何來自摻雜阱的電荷位移。事實(shí)上，平均電子密度僅因施加的偏壓的變化而發(fā)生幾埃的位移，并且完全位于量子阱的厚度范圍內(nèi)（圖3b底部面板）。因此，調(diào)制器的速度主要受到器件幾何電容的限制，這已通過對具有不同臺面的器件進(jìn)行整流測量得到證實(shí)。

用于自由空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾到y(tǒng)的光學(xué)頻率響應(yīng)（截止頻率為2 GHz）如圖4所示。調(diào)制器由功率正弦波驅(qū)動，將信號寫入QC激光器發(fā)出的紅外光束，然后在探測器上收集，最后使用16 GHz截止示波器（Teledyne-Lecroy SDA Zi-B 16 GHz）進(jìn)行分析。

圖4 自由空間數(shù)據(jù)傳輸全系統(tǒng)的光學(xué)頻率響應(yīng)。插圖：系統(tǒng)草圖。QC激光器與調(diào)制器之間的距離為70 cm，調(diào)制器與QC檢測器之間的距離為60 cm。

3數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制器連接到脈沖模式發(fā)生器，該脈沖模式發(fā)生器使用簡單的開關(guān)鍵控（OOK）方案輸出127位長的偽隨機(jī)比特序列。后者只包含“0”和“1”，因此每個符號有一位。比特率范圍為1到12 Gbit s 1，受脈沖模式發(fā)生器限制。來自7 Gbit s 1隨機(jī)位序列的調(diào)制輸入信號和示波器上QC檢測器的輸出如圖5a所示。利用眼圖和誤碼率分析了傳輸特性。圖5 – f為傳輸速率為7gbit s和11gbit s 1的眼圖。圖5c,d為示波器上的PRBS參考圖，圖5e,f為QC檢測器接收到的調(diào)制信號對應(yīng)的光學(xué)眼圖。

圖5 a) 7 Gbit s 1隨機(jī)位序列的調(diào)制輸入信號(藍(lán)線)和示波器上QC檢測器的輸出(紅線)。b) 根據(jù)從專有算法（藍(lán)線符號）提取的比特率函數(shù)繪制誤碼率。水平紅線表示使用硬判決前向糾錯（HD-FEC）的最小可承受錯誤率。c) 7gbit s 1參考信號眼圖d) 11gbit s 1參考信號眼圖e) 7Gbit s 1時測量的眼圖和f) 11 Gbit s 1時沒有任何均衡時測量的眼圖。

4結(jié)論

綜上所述，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個帶有外部振幅調(diào)制器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該調(diào)制器在中紅外（λ=9μm）下工作，優(yōu)于之前通過外部或直接調(diào)制激光電流獲得的結(jié)果。從納米量子設(shè)計(jì)到專用射頻封裝，采用多尺度方法構(gòu)思的超快UQO器件實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10Gbit 1的數(shù)據(jù)比特率通過多信道調(diào)制格式，例如通過使用離散多音（DMT）調(diào)制和數(shù)字處理技術(shù)，使用可在本設(shè)備中進(jìn)一步實(shí)質(zhì)性改進(jìn)的開/關(guān)協(xié)議，通常通過特定集成電路實(shí)現(xiàn)。此外，這些設(shè)備的可預(yù)見帶寬在50 – 100ghz范圍內(nèi)，因此Terabit s – 1數(shù)據(jù)速率應(yīng)該在該技術(shù)范圍內(nèi)，因此UQO是在不受管制的頻帶中為6G通信提供可能的解決方案。雖然我們的研究結(jié)果集中于數(shù)據(jù)傳輸，但更復(fù)雜的UQO系統(tǒng)還會產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用范圍，涉及不同的設(shè)備和不同的功能，例如外差/零差檢測。

來源：Laser Photonics Reviews – 2021 – Dely – 10 Gbits-1 Free Space Data Transmission at 9m Wavelength With Unipolar Quantum, DOI: 10.1002/lpor.202100414

江蘇激光聯(lián)盟陳長軍原創(chuàng)作品！