江苏激光联盟导读：
比特率超过10 Gbit s 1的自由空间光学数据传输通过在室温下使用单极性量子光电系统在9µm波长下进行演示，该系统由量子级联激光器、调制器和量子级联检测器组成。这种高比特率数据传输的演示将单极性量子器件设置为开发中红外甚高频光电系统的最佳平台，用于数字通信和高分辨率光谱学等多种应用。
1介绍
单极量子光电子学(UQOs)是一组在室温下工作的中红外(λ 4-16)µm的半导体器件，带宽可达几十GHz。该器件利用了在技术成熟半导体的导带中形成的量子限制的2D电子态。因此它们是单极的，因为电子是唯一存在的载流子。UQOs使光电系统实现相结合的不同器件产生复杂的功能和操作。在中红外中，这是非常受欢迎的，不仅在技术应用上，而且在解决基本物理问题上。在基础方面，UQOs器件的相干组装可以为量子测量设计独特的实验安排，例如研究量子级联激光器的非经典态发射。在这个意义上，UQOs将极大地扩展光电应用和量子光学到中红外/太赫兹(THz)区域。
在这项工作中，我们介绍了用于8–14µm大气窗口中数据传输的UQO系统的实现，该系统包括连续波（cw）量子级联（QC）激光器、外部调制器和QC检测器（图1）。与之前基于直接调制QC激光电流的研究不同，我们的系统使用高频外部调制器将数据位写入激光发射，该调制器通过将光学跃迁的吸收移入和移出激光频率来工作。该装置设计用于避免电荷位移或电子耗尽，因此与激光的直流调制相比，它具有固有的大带宽和极低的功耗。在未来，这些器件的光子集成将进一步提高其性能，并使量子技术领域在红外和太赫兹频率范围内进一步扩展成为可能。
图1 a）量子级联激光器、b）Stark调制器和c）量子级联探测器的导带剖面和相关电子状态的草图。d）实验草图包括QC激光器、Stark调制器和QC检测器，所有这些都在室温下和相同波长下工作，即9µm（138 meV）。该激光器为商用连续波分布式反馈QC激光器（Thorlabs QD9000HHL-B）。调制器和检测器经过专门设计、制造和安装，可在高频下工作。插图显示了通过空气桥连接到共面波导的调制器的SEM图像。e）Stark调制器的射频封装。f）Stark调制器的光耦合几何结构示意图。该几何体符合偏振选择规则。
2系统说明和高频设备
系统如图1d所示。来自商用分布式反馈（DFB）QC激光器（图1a）的光照射在写入信息的调制器（图1b）上，该信息随后由检测器读取（图1c）。光束在调制器中的传播如图1f所示：光通过60 楔形物耦合到调制器中，以增加耦合长度并促进激光束对准。在这种几何结构中，调制器引起的插入损耗为 4分贝。为了在高频下工作，探测器和调制器被加工成台面结构，通过低电感顶部接触的空气桥与50Ω共面波导电连接。
图2a所示的频率响应在50 50µm2 QC检测器的5 GHz下几乎平坦到设备截止。有两种不同的方法被用来测量这种响应：一种是基于非线性电流-电压（I–V）特性的整流技术（紫线），另一种是通过将中红外频率梳（Menlo系统FC1500-ULN）照射到探测器上获得的直接光学测量（绿线）。光学齿之间的跳动显示为100 MHz间隔的拍音。图2b显示了以非常接近激光发射能量为中心的探测器光电流谱（绿色虚线），而面板（c）显示了光电流作为入射cw激光功率的函数。
图2 室温下量子级联探测器特性。a） QC探测器的频率响应，使用整流技术（紫线）和中红外频率梳（绿线）测量，齿间距为100 MHz。b）在室温下测得的光电流谱，以非常接近激光发射线（绿色虚线）的能量为中心。c）在连续波操作中，光电流是入射激光功率的函数。
为了充分利用探测器的大带宽进行数据传输，实现了一种基于线性斯塔克效应的极快外部调制器，它避免了电荷耗尽门的实现，从而减少了固有寄生电容。调制器是在GaInAs/AlInAs材料系统中制作的非对称量子阱，在1.5 1018 cm 3处掺氮在较宽的井中（见图3a）。这种斯塔克位移源于这样一个事实，即状态1中的电子概率密度基本上局限于大量子阱，而状态2中的电子概率密度则局限于薄阱。在应用的偏差下 , 跃迁E12的能量位移等于两个分布重心之间的电势下降（参见图3a插图）。
图3 a） 在+4 V（蓝线）和 4 V（黑线）。绿色虚线表示激光发射能量。b）斯塔克调制器的时间操作。c）截止频率是设备尺寸（符号）的函数，通过仅包括设备的几何电容（橙色连续线）进行模拟，并考虑由于小型设备的非理想电容效应（黑色虚线）而产生的61 fF的额外电容进行模拟。d）通过调制器测量（点）和模拟（线）透射率，作为施加电压的函数。
在图3a中可以看到，在+4 V（蓝线）和 4 V（黑线）。因此，光学跃迁E12处的吸收可以与激光发射能量共振，作为施加偏置的函数进行调谐，如图3b所示，图3b示出了作为时间函数的设备操作。E12跃迁的这种斯塔克位移诱导了对器件吸收的激光功率的调制，而没有任何来自掺杂阱的电荷位移。事实上，平均电子密度仅因施加的偏压的变化而发生几埃的位移，并且完全位于量子阱的厚度范围内（图3b底部面板）。因此，调制器的速度主要受到器件几何电容的限制，这已通过对具有不同台面的器件进行整流测量得到证实。
用于自由空间数据传输的完整系统的光学频率响应（截止频率为2 GHz）如图4所示。调制器由功率正弦波驱动，将信号写入QC激光器发出的红外光束，然后在探测器上收集，最后使用16 GHz截止示波器（Teledyne-Lecroy SDA Zi-B 16 GHz）进行分析。
图4 自由空间数据传输全系统的光学频率响应。插图：系统草图。QC激光器与调制器之间的距离为70 cm，调制器与QC检测器之间的距离为60 cm。
3数据传输
在数据传输实验中，调制器连接到脉冲模式发生器，该脉冲模式发生器使用简单的开关键控（OOK）方案输出127位长的伪随机比特序列。后者只包含“0”和“1”，因此每个符号有一位。比特率范围为1到12 Gbit s 1，受脉冲模式发生器限制。来自7 Gbit s 1随机位序列的调制输入信号和示波器上QC检测器的输出如图5a所示。利用眼图和误码率分析了传输特性。图5 – f为传输速率为7gbit s和11gbit s 1的眼图。图5c,d为示波器上的PRBS参考图，图5e,f为QC检测器接收到的调制信号对应的光学眼图。
图5 a) 7 Gbit s 1随机位序列的调制输入信号(蓝线)和示波器上QC检测器的输出(红线)。b) 根据从专有算法（蓝线符号）提取的比特率函数绘制误码率。水平红线表示使用硬判决前向纠错（HD-FEC）的最小可承受错误率。c) 7gbit s 1参考信号眼图d) 11gbit s 1参考信号眼图e) 7Gbit s 1时测量的眼图和f) 11 Gbit s 1时没有任何均衡时测量的眼图。
4结论
综上所述，我们已经实现了一个带有外部振幅调制器的数据传输系统，该调制器在中红外（λ=9µm）下工作，优于之前通过外部或直接调制激光电流获得的结果。从纳米量子设计到专用射频封装，采用多尺度方法构思的超快UQO器件实现了这一点。我们已经实现了10Gbit 1的数据比特率通过多信道调制格式，例如通过使用离散多音（DMT）调制和数字处理技术，使用可在本设备中进一步实质性改进的开/关协议，通常通过特定集成电路实现。此外，这些设备的可预见带宽在50 – 100ghz范围内，因此Terabit s – 1数据速率应该在该技术范围内，因此UQO是在不受管制的频带中为6G通信提供可能的解决方案。虽然我们的研究结果集中于数据传输，但更复杂的UQO系统还会产生更广泛的应用范围，涉及不同的设备和不同的功能，例如外差/零差检测。
来源：Laser Photonics Reviews – 2021 – Dely – 10 Gbits-1 Free Space Data Transmission at 9m Wavelength With Unipolar Quantum, DOI: 10.1002/lpor.202100414
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