اتصالات بصرية في الفضاء الحر عالية الحساسية باستخدام أجهزة منخفضة الحجم والوزن والطاقة (SWaP)

1. المقدمة والنظرة العامة

يُظهر هذا العمل تقدماً كبيراً في أنظمة الاتصالات البصرية في الفضاء الحر (FSO) من خلال معالجة التحدي الحرج المتمثل في الحجم والوزن والطاقة (SWaP). غالباً ما تعتمد عروض FSO التقليدية عالية الحساسية أو عالية معدل نقل البيانات على معدات ضخمة ومستهلكة للطاقة مثل مولدات الموجات التعسفية أو المشغلات الخارجية أو المستقبلات المبردة. تقدم هذه الورقة البحثية حلاً مدمجاً ومتكاملاً باستخدام ثنائي باعث للضوء دقيق (micro-LED) من نتريد الغاليوم (GaN) يتم التحكم به بواسطة CMOS كجهاز إرسال، ومصفوفة ثنائي الانهيار الضوئي الفردي (SPAD) المتكاملة مع CMOS كمستقبل. يحقق النظام معدل نقل بيانات يبلغ 100 ميجابت/ثانية بحساسية مستقبل ملحوظة تبلغ -55.2 ديسيبل ميلي واط (ما يعادل ~7.5 فوتون مُكتشف لكل بت) مع استهلاك طاقة إجمالي أقل من 5.5 واط، مما يثبت جدوى الروابط البصرية عالية الأداء تحت قيود SWaP الصارمة.

2. التقنيات الأساسية

يعتمد أداء النظام على تقنيتين فوتونيتين متكاملتين رئيسيتين.

3. تنفيذ النظام والمنهجيات

4. النتائج التجريبية والأداء

وصف الرسم البياني: عادةً ما يُظهر مخطط معدل الخطأ في البت (BER) مقابل الطاقة البصرية المستقبلة منحنيين، أحدهما لـ 50 ميجابت/ثانية والآخر لـ 100 ميجابت/ثانية. سيصل منحنى 50 ميجابت/ثانية إلى معدل خطأ مستهدف (مثل 1e-3) عند مستوى طاقة أقل (حوالي -60.5 ديسيبل ميلي واط) مقارنة بمنحنى 100 ميجابت/ثانية (حوالي -55.2 ديسيبل ميلي واط)، مما يوضح المقايضة بين معدل نقل البيانات والحساسية. سيبرز الرسم البياني الفجوة في الأداء مقارنة بالحد الكمي القياسي (SQL).

تُظهر النتائج بوضوح المقايضة بين معدل نقل البيانات والحساسية. عند 50 ميجابت/ثانية، تم تحقيق حساسية أعلى تبلغ -60.5 ديسيبل ميلي واط. يُبلغ عن أن أداء النظام، عند 100 ميجابت/ثانية، يقع ضمن 18.5 ديسيبل من الحد الكمي القياسي (SQL) للضوء بطول موجي 635 نانومتر، وهو -70.1 ديسيبل ميلي واط.

5. التحليل التقني والإطار الرياضي

الحد الأساسي لمثل هذا المستقبل العدّ للفوتونات هو الحد الكمي القياسي (SQL) للكشف المباشر، المشتق من الإحصاءات البواسونية لوصول الفوتونات. احتمال الخطأ لـ OOK يُعطى بالعلاقة:

$P_e = \frac{1}{2} \left[ P(0|1) + P(1|0) \right]$

حيث $P(0|1)$ هو احتمال اتخاذ قرار "0" عندما تم إرسال "1" (فشل في الكشف)، و $P(1|0)$ هو احتمال اتخاذ قرار "1" عندما تم إرسال "0" (إنذار كاذب، غالباً من العد المظلم). بالنسبة لثنائي SPAD، فإن معدل العد المُكتشف $R_d$ ليس خطياً مع تدفق الفوتون الساقط $\Phi$ بسبب الوقت الميت $\tau_d$:

$R_d = \frac{\eta \Phi}{1 + \eta \Phi \tau_d}$

حيث $\eta$ هي كفاءة الكشف. هذا اللاخطية والتأثيرات المرتبطة بها مثل النبضات اللاحقة هي أسباب رئيسية لاختيار مخطط RZ-OOK البسيط بدلاً من NRZ، حيث يوفر فصلًا زمنيًا أوضح بين البتات لتقليل تداخل الرموز (ISI).

6. منظور المحلل: الفكرة الأساسية والنقد

الفكرة الأساسية: نفذ غريفيثز وزملاؤه درساً متميزاً في الابتكار العملي. لم يسعوا وراء تحقيق حساسية قياسية منعزلة، بل صمموا نظاماً مُحسّناً بشكل شمولي حيث تتيح الفوتونيات المتكاملة مع CMOS مباشرة تحقيق عامل الشكل المنخفض SWaP. الاختراق الحقيقي ليس فقط -55.2 ديسيبل ميلي واط؛ بل هو تحقيق تلك الحساسية بينما يستهلك جهاز الإرسال والاستقبال بأكمله طاقة أقل من مصباح LED منزلي. هذا يحول السرد من مجرد فضول معملي إلى أصل قابل للنشر.

التسلسل المنطقي والخيارات الاستراتيجية: المنطق دفاعي بلا عيب. 1) المشكلة: أنظمة FSO عالية الأداء مقيدة بالحجم والوزن والطاقة (SWaP). 2) الفرضية الحل: التكامل مع CMOS للوظائف الفوتونية الرئيسية (مشغلات LED الدقيقة، مصفوفات SPAD مع عدادات) هو المسار الوحيد القابل للتطبيق. 3) التحقق: استخدام أبسط تعديل ممكن (RZ-OOK) لإثبات قدرة الأجهزة المتكاملة الأساسية أولاً، وعزل فائدة SWaP. هذا يعكس الفلسفة في البحث الرائد الذي يراعي الأجهزة في التعلم الآلي، مثل العمل على "المعالجة الكفؤة للشبكات العصبية العميقة: برنامج تعليمي واستطلاع" (Sze et al., Proceedings of the IEEE, 2017)، والذي يجادل بأن الخوارزمية والأجهزة يجب تصميمهما معاً من أجل الكفاءة في العالم الحقيقي—وهو مبدأ تم توضيحه بوضوح هنا.

نقاط القوة والعيوب: القوة الأساسية هي التجربة التوضيحية على مستوى النظام المقنعة. رقم <5.5 واط هو حجة قاطعة للنشر الميداني في الطائرات بدون طيار أو الأقمار الصناعية. ومع ذلك، العيب الرئيسي في الورقة هو صمتها الاستراتيجي حول كثافة البيانات. 100 ميجابت/ثانية كافية لبيانات الاستشعار عن بُعد ولكنها تافهة للاتصالات الحديثة. استخدام OOK البسيط، على الرغم من حكمته في هذا الإثبات للمفهوم، يترك كفاءة طيفية هائلة على الطاولة. لقد بنوا دراجة فائقة الكفاءة لإثبات عمل المحرك، بينما تحتاج الصناعة إلى شاحنة. علاوة على ذلك، فإن تحليل متانة الرابط (مثل الاضطرابات الجوية، أخطاء التوجيه)—وهو نقطة الضعف في FSO—غائب، وهو إغفال بالغ الأهمية لأي نظام جاهز للميدان.

رؤى قابلة للتنفيذ: 1) للباحثين: الخطوة التالية الفورية ليست دفع الحساسية ديسيبل آخر، بل تطبيق هذه المنصة المتكاملة على تعديلات ذات رتبة أعلى (مثل PPM، DPSK) لزيادة معدل البتات دون زيادة SWaP بشكل متناسب. 2) للمستثمرين والمكاملين: هذه التكنولوجيا ناضجة لتطبيقات متخصصة عالية القيمة حيث تلتقي معدل البيانات المنخفض، والحساسية القصوى، و SWaP المنخفض جداً: فكر في الروابط بين الأقمار الصناعية المكعبة في الفضاء السحيق، أو وحدات الحقيبة العسكرية الآمنة، أو النقل الخلفي لإنترنت الأشياء في البيئات المقيدة الطاقة. القيمة تكمن في حزمة التكامل، وليس المكونات الفردية. 3) المسار الحرج: يجب أن يركز المجتمع الآن على تعزيز هذا الإعداد المختبري الأنيق—بإضافة بصريات تكيفية للتخفيف من الاضطرابات وأنظمة اكتشاف وتتبع قوية—للانتقال من نموذج أولي رائع إلى منتج.

7. إطار التحليل ومثال تطبيقي

الإطار: تحليل مقايضة أداء النظام المقيد بـ SWaP

لتقييم تقنيات مثل هذه، نقترح إطاراً بسيطاً لكنه قوي يرسم الأداء على محورين مقابل قيد ميزانية SWaP:

1. المحور Y1: مؤشر الأداء الرئيسي (KPI) – على سبيل المثال، معدل نقل البيانات (ميجابت/ثانية)، الحساسية (ديسيبل ميلي واط)، أو مدى الرابط (كم).
2. المحور Y2: كفاءة النظام – على سبيل المثال، مؤشر الأداء الرئيسي لكل واط (ميجابت/ثانية/واط) أو مؤشر الأداء الرئيسي لكل وحدة حجم.
3. حجم فقاعة القيد: إجمالي ميزانية SWaP – على سبيل المثال، الطاقة (واط)، الحجم (سم³).

تطبيق الحالة:

• هذا العمل (غريفيثز وآخرون): سيشغل موقعاً بمعدل نقل بيانات مطلق معتدل (~100 ميجابت/ثانية) ولكن كفاءة عالية استثنائية (~18 ميجابت/ثانية/واط) داخل فقاعة SWaP صغيرة جداً (<5.5 واط، شكل مدمج).
• أنظمة FSO التقليدية عالية الحساسية (مثل استخدام كواشف مبردة): قد تُظهر حساسية مطلقة أعلى (مثل -65 ديسيبل ميلي واط) ولكن كفاءة منخفضة جداً (ميجابت/ثانية/واط ضئيل) و فقاعة SWaP ضخمة.
• أنظمة FSO التقليدية عالية المعدل (مثل استخدام مضخمات ليزر/EDFA ضخمة): ستُظهر معدل نقل بيانات مطلق عالٍ (مثل 10 جيجابت/ثانية) ولكن كفاءة متوسطة إلى ضعيفة و فقاعة SWaP كبيرة.

يكشف هذا التصور على الفور أن مساهمة هذا العمل ليست في الفوز بأي مؤشر أداء رئيسي مطلق فردي، بل في الهيمنة على الربع ذي الكفاءة العالية و SWaP المنخفض، مما يفتح مساحات تطبيقية جديدة تماماً.

8. التطبيقات المستقبلية واتجاهات التطوير

يُمهد مسار التكامل المُظهر الطريق لعدة تطبيقات تحويلية:

• أبراج الأقمار الصناعية النانوية/الميكروية (CubeSats): روابط بين أقمار صناعية فائقة التكثيف ومنخفضة الطاقة (ISL) لتنسيق السرب ونقل البيانات في الفضاء، حيث SWaP له الأهمية القصوى.
• شبكات المركبات الجوية غير المأهولة (UAV): روابط بيانات آمنة وعالية النطاق الترددي من جو إلى جو ومن جو إلى أرض للمراقبة ونقل الاتصالات.
• الاتصالات التكتيكية المحمولة والآمنة: أنظمة محمولة على الظهر أو مركبة للاتصالات الآمنة خارج نطاق الرؤية والمحصنة ضد اعتراض/تشويش الترددات الراديوية.
• النقل الخلفي لإنترنت الأشياء المعتمد على حصاد الطاقة: ربط شبكات الاستشعار البعيدة حيث تكون الطاقة المتاحة في حدها الأدنى.

اتجاهات التطوير الرئيسية:

1. تقدم في التعديل: الانتقال من OOK إلى مخططات أكثر كفاءة طيفية أو مُحسّنة للحساسية مثل تعديل موضع النبضة (PPM) أو الترميز بالمفتاح الإيقاعي التفاضلي لانزياح الطور (DPSK) بالاستفادة من نفس منصة CMOS.
2. توسيع نطاق الطول الموجي: تطوير مصابيح LED الدقيقة وثنائيات SPAD عند أطوال موجية اتصالات (مثل 1550 نانومتر) لتحسين انتقال الغلاف الجوي والسلامة للعين.
3. التكامل المشترك ونظام على شريحة (SoC): مزيد من التكامل للإلكترونيات المشغلة، ومعالجة الإشارات الرقمية (DSP لتصحيح الخطأ الأمامي، استعادة الساعة)، ومنطق التحكم على شريحة CMOS واحدة جنباً إلى جنب مع الأجهزة الفوتونية.
4. تكامل توجيه الحزمة: دمج أنظمة التوجيه الدقيقة الكهروميكانيكية (MEMS) أو القائمة على البلورات السائلة مباشرة في الحزمة لمحاذاة وتتبع قويين.

9. المراجع

1. Griffiths, A. D., Herrnsdorf, J., Almer, O., Henderson, R. K., Strain, M. J., & Dawson, M. D. (2019). High-sensitivity free space optical communications using low size, weight and power hardware. arXiv preprint arXiv:1902.00495.
2. Khalighi, M. A., & Uysal, M. (2014). Survey on free space optical communication: A communication theory perspective. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 16(4), 2231-2258.
3. Sze, V., Chen, Y. H., Yang, T. J., & Emer, J. S. (2017). Efficient processing of deep neural networks: A tutorial and survey. Proceedings of the IEEE, 105(12), 2295-2329. (مذكور لفلسفة التصميم المشترك على مستوى النظام).
4. Henderson, R. K., Johnston, N., Hutchings, S. W., & Gyongy, I. (2019). A 256x256 40nm/90nm CMOS 3D-Stacked 120dB Dynamic-Range Reconfigurable Time-Resolved SPAD Imager. 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) (pp. 106-108). IEEE. (مثال على التكامل المتقدم بين CMOS و SPAD).
5. McKendry, J. J., et al. (2012). High-speed visible light communications using individual pixels in a micro light-emitting diode array. IEEE Photonics Technology Letters, 24(7), 555-557.
6. Shannon, C. E. (1948). A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal, 27(3), 379-423. (النظرية الأساسية الكامنة وراء جميع حدود الاتصالات).