激光器|10 Gbit s?1利用单极性量子光电子技术在9μm波长下进行自由空间数据传输( 二 ) 探测器

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5cd为示波器上的PRBS参考图，图5ef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。