研究中使用的實驗裝置的代表性圖。量子級聯雷射器（QCL）的輸出由斯塔克效應外部調製器調製並通過Herriott單元傳輸，以模擬有效長度超過30 m的光路。在接收端測試了兩種不同的探測器，即量子阱紅外光電探測器（QWIP）和量子級聯探測器（QCD）。得益於脈衝整形以及預處理和後處理等技術，這種自由空間光學通信系統實現了創紀錄的數據速率。來源：皮埃爾·迪迪埃，LTCI，巴黎電信，巴黎理工學院。
在過去的幾十年裡，電信通過提供非常方便的方式來共享和訪問信息，重塑了我們生活的許多方面。這種轉變的最重要推動因素之一是寬帶技術的採用和改進，這些技術在寬頻帶上填充大量數據，以實現前所未有的傳輸速度。如今，大多數大城市都擁有基於光纖的網絡，可將高速網際網路直接分發到每個家庭。
不幸的是，由於相關的成本和所需的土木工程工作，將光纖鏈路部署到偏遠地區和農村地區並不總是可行的。這些地方可以從不同的光寬帶通信方法中受益：自由空間光學。自由空間光（FSO）通信的主要思想是在需要時建立對齊的發射器 - 接收器對，並使用空氣作為介質來傳輸信號。
雖然FSO系統仍有許多挑戰需要解決（例如低能效，天氣影響和高背景噪聲），但世界各地的科學家都在不斷嘗試解決這些問題和實現更高數據速率的新方法。
在此背景下，巴黎綜合理工學院的一個研究小組與法國高等師範學院的研究人員最近在使用單極量子光電（UQO）器件的FSO通信方面取得了實質性進展。
正如Advanced Photonics報導的那樣，該團隊使用基於斯塔克效應的外部調製器成功地創建了遠程FSO鏈路，該調製器與接收器中的兩種類型的UQO探測器相關聯。他們利用這種技術實現了前所未有的數據速率，展示了他們尚未開發的潛力。
研究人員在其系統中使用的發射器和兩個探測器在中紅外範圍內工作 - 即使用8到12μm之間的波長。在此頻率範圍內，信號在大氣中傳播時會經歷非常低的吸收、散射和失真。發射器側使用在室溫下工作的商用量子級聯雷射器和新型外部調製器。
探測器側（應正確感知和解釋小而嘈雜的信號）使用量子級聯探測器（QCD）或量子阱紅外光電探測器（QWIP）。後者更複雜，通常性能更好，但需要氮氣冷卻，而QCD可以不冷卻並在室溫下使用。換句話說，兩個UQO探測器的性能、複雜性和成本之間需要權衡。
首先，該團隊在「背靠背配置」中評估了其FSO鏈路的最大數據速率，這意味著將發射器的輸出直接發送到探測器的輸入端。然後，他們在兩者之間引入了一個商業赫里奧特細胞。這種密封設備包含精心設計的鏡子，使輸入光信號在退出之前多次來回反彈，從而模擬信號傳播的更長距離。在這種情況下，光路的有效長度為31 m。
為了提高其通信系統在速度和抗錯性方面的性能，研究人員採用了多種獨立的技術，即脈衝整形傳輸信號與一些預處理和後處理方法相結合。
「我們在 31 米傳播鏈路中為 2 電平 （OOK） 和 4 電平 （PAM-4） 調製方案實現了 30 Gbit/s 的創紀錄比特率，」通訊作者 Pierre Didier 評論道，他是巴黎電信 Frédéric Grillot 教授小組的博士生，「此外，觀察到的誤碼率與可以在接收器端實現的既定糾錯算法兼容，「他補充道。
值得注意的是，這是FSO傳輸系統首次在如此長的距離內在8-12μm波長域中實現高數據速率。因此，這項工作標誌著通過採用UQO設備實現耐天氣條件的高速FSO電信鏈路的關鍵一步。UQO設備集成的進一步發展，以及支持光學和電子器件的改進，可以幫助將高速網際網路帶到具有挑戰性的地方。
更多信息：Pierre Didier等人，使用單極量子器件的中紅外熱大氣窗口中的高容量自由空間光鏈路，先進光子學（2022）。DOI： 10.1117/1.AP.4.5.056004