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

نظرة عامة

يُظهر هذا العمل رابط اتصال بصري عملي في الفضاء الحر (FSO) يعتمد على أجهزة متكاملة للغاية ومنخفضة الحجم والوزن والطاقة (SWaP). يجمع النظام بين جهاز إرسال يعتمد على مصباح LED دقيق من نتريد الغاليوم (GaN)، يتم التحكم فيه بواسطة مشغل CMOS، وجهاز استقبال يعتمد على مصفوفة متكاملة من الثنائيات الضوئية الانفرادية (SPADs) على شريحة CMOS. باستخدام مخطط تضمين بسيط هو تضمين إطفاء وإشعال مع العودة للصفر (RZ-OOK)، حقق الرابط معدل نقل بيانات قدره 100 ميجابت/ثانية بحساسية استقبال تبلغ -55.2 ديسيبل ميلي واط (ما يعادل ~7.5 فوتون مُكتشف لكل بت) مع استهلاك طاقة إجمالي أقل من 5.5 واط. يمثل هذا خطوة كبيرة نحو أنظمة اتصالات بصرية قابلة للنشر وعالية الأداء للبيئات المحدودة الموارد.

1. المقدمة

تقدم الاتصالات البصرية في الفضاء الحر إمكانية نطاق ترددي عالٍ، ولكنها غالبًا ما تعتمد على معدات ضخمة ومستهلكة للطاقة مثل الليزر المُشغل بواسطة مغيرات خارجية وأجهزة استقبال مُبردة. إن السعي نحو التطبيقات في الأقمار الصناعية الصغيرة (CubeSats) والمركبات الجوية غير المأهولة (UAVs) والمحطات الأرضية المحمولة يستلزم تحولًا نموذجيًا نحو أجهزة منخفضة SWaP. تتناول هذه الورقة البحثية هذه الحاجة من خلال استغلال تقنيتين رئيسيتين متوافقتين مع CMOS: مصابيح LED الدقيقة عالية النطاق الترددي للإرسال، ومصفوفات SPAD للاستقبال فائق الحساسية. إن تكامل كلا العنصرين في أنظمة مضغوطة ذات واجهات رقمية هو الابتكار الأساسي، مما ينتقل بهذا المجال من عروض المختبر إلى التطبيقات العملية.

2. المنهجية وهندسة النظام

تم بناء نظام الاتصال من نظامين فرعيين متكاملين: جهاز إرسال وجهاز استقبال، وكلاهما مصمم ليكون ذا SWaP أدنى حد.

3. النتائج التجريبية والأداء

4. التحليل التقني والرؤى الأساسية

الرؤية الأساسية: هذه الورقة البحثية ليست عن تحطيم أرقام قياسية في الحساسية المطلقة؛ إنها درس متقن في هندسة النظم العملية. الاختراق الحقيقي هو إثبات أنه يمكن استخراج حساسية قريبة من الحد الكمي (-55.2 ديسيبل ميلي واط عند 100 ميجابت/ثانية) من صندوق بسيط للغاية، ورقمي بالأصل، ومنخفض الطاقة بشكل كبير (<5.5 واط). بينما يسعى آخرون للاقتراب من الحد الكمي القياسي باستخدام الهيليوم السائل ومعالجة الإشارات الرقمية المعقدة، يسأل غريفيثز وزملاؤه: "ما فائدة رابط بحساسية -70 ديسيبل ميلي واط إذا كان يحتاج إلى شاحنة لنقله؟" إجابتهم تكمن في دمج مصباح LED دقيق ومصفوفة SPAD مباشرة على شريحة CMOS، محولةً ما كان فضولًا مختبريًا إلى أصل قابل للنشر لمنصات مقيدة بـ SWaP مثل الأقمار الصناعية المكعبة والطائرات المسيرة.

التسلسل المنطقي: الحجة خطية بأناقة. 1) اتصالات FSO عالية الحساسية موجودة ولكنها تعتمد على أجهزة ضخمة وعالية الطاقة (بيان المشكلة). 2) تم تحديد تقنيتين متوافقتين مع CMOS — مصابيح LED الدقيقة (أجهزة إرسال سريعة وقابلة للتكامل) ومصفوفات SPAD (أجهزة استقبال حساسة للفوتون الواحد وقابلة للتكامل) — كحلول. 3) تكاملهما في نظام بأقل تعقيد باستخدام أبسط تضمين ممكن (RZ-OOK) لتجنب الترميز المعقد والمستهلك للطاقة. 4) القياس: تظهر البيانات حساسية عالية واستهلاكًا منخفضًا للطاقة في وقت واحد. يثبت المنطق أن التكامل + البساطة = أداء عملي عالٍ.

نقاط القوة والضعف: القوة لا يمكن إنكارها: كفاءة SWaP على مستوى النظام المُثبتة نادرًا ما يتم قياسها، ناهيك عن تحقيقها، في الأوراق البحثية الأكاديمية في الفوتونيات. اختيار RZ-OOK ذكي للتخفيف من مشاكل وقت توقف SPAD. ومع ذلك، يكمن العيب في المقايضة التي تمت مقابل تلك البساطة. معدل 100 ميجابت/ثانية متواضع، والفجوة البالغة 18.5 ديسيبل عن الحد الكمي القياسي كبيرة. كما لوحظ في العمل الأساسي في اتصالات SPAD مثل D. Chitnis and S. Collins, "A SPAD-based photon detecting system for optical communications," JLT 2014، يمكن للتضمين المتقدم (مثل PPM) وتصحيح الخطأ الأمامي أن يغلقالكثير من تلك الفجوة. تعترف الورقة البحثية بهذا ولكنها تتركه للعمل المستقبلي، مما يضعف ادعاءها بالكمالية قليلاً.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للصناعة، هذا مخطط: توقف عن التصميم المفرط. ابدأ بنوى فوتونية-إلكترونية متكاملة بعمق (CMOS هو صديقك) وأضف التعقيد (التضمين، الترميز) فقط إذا فشل الحل البسيط. ميزانية الطاقة <5.5 واط هي الرقم الذي يجب تحطيمه لمديري المنتجات من الجيل التالي. بالنسبة للباحثين، المسار واضح. يجب على الورقة البحثية التالية سد فجوة الحساسية باستخدام الترميز والمعالجة على الشريحة. هل يمكن لمنطق CMOS منخفض الطاقة تنفيذ رموز قريبة من السعة مثل LDPC لاستعادة تلك الـ 18 ديسيبل؟ هذا هو السؤال بمليار دولار لجعل هذه التكنولوجيا مهيمنة في الوصلة الخلفية لشبكات 6G أو مجموعات الأقمار الصناعية، متجاوزة التطبيقات المتخصصة.

5. إطار التحليل ومثال تطبيقي

الإطار: مصفوفة مقايضة تصميم الأنظمة المقيدة بـ SWaP

يمثل هذا الحالة تحليلاً منظمًا للمقايضة للأنظمة الفوتونية المضمنة. يعطي الإطار الأولوية للقيود ويقوم بتضحيات متعمدة.

1. تحديد القيد الأساسي: SWaP هو الأهم. يستبعد هذا على الفور الليزر عالي الطاقة، والمغيرات الخارجية، وأنظمة التبريد العميق، والبصريات المنفصلة الضخمة.
2. اختيار التكنولوجيا ("ماذا"): ربط الوظائف المطلوبة (انبعاث عالي السرعة، كشف الفوتون الواحد) بأكثر التقنيات كفاءة في SWaP وقابلة للتكامل: مصابيح LED الدقيقة و SPADs على CMOS.
3. تقليل التعقيد ("كيف"): اختر أبسط خوارزمية/تضمين تفي بالمواصفات الأساسية للأداء. هنا، الهدف هو أقصى حساسية عند معدل بيانات مستهدف (100 ميجابت/ثانية)، وليس أقصى كفاءة طيفية. ومن ثم، يتم رفض m-QAM المعقد لصالح RZ-OOK البسيط.
4. تحديد نقطة التكامل: حدد الحد الذي يجب أن تنتقل فيه المهمة من البرمجيات إلى العتاد المخصص لتوفير الطاقة. هنا، يتم دفع عملية عد الفوتونات والكشف الأساسي بالعتبة إلى الدوائر المخصصة لمصفوفة SPAD على CMOS.
5. التحقق من المقاييس: قياس النظام الكامل مقابل جميع القيود الأساسية (الحساسية: -55.2 ديسيبل ميلي واط، الطاقة: <5.5 واط، معدل البيانات: 100 ميجابت/ثانية)، وليس فقط الأداء الأمثل لمكون فرعي.

التطبيق على الحالة: طبق المؤلفون هذا الإطار بشكل مثالي. ضحوا بالكفاءة الطيفية والحساسية القصوى (بقبول الفجوة البالغة 18.5 ديسيبل عن الحد الكمي القياسي) للفوز على القيود الأساسية المتمثلة في الطاقة والقابلية للتكامل. النهج الفاشل المقابل سيكون أخذ كاشف فوتون وحيد فائق التوصيل من النوع النانوي السلكي (SNSPD) عالي الحساسية ومحاولة تصغير مبرده - وهي معركة ضد قوانين الفيزياء. يكمن نجاح هذه الورقة البحثية في اختيار المعارك التي يمكنها الفوز بها باستخدام CMOS.

6. التطبيقات المستقبلية واتجاهات التطوير

تفتح التكنولوجيا المُثبتة الأبواب أمام عدة مجالات تطبيقية حاسمة وتشير إلى مسارات واضحة للتطور.

• مجموعات الأقمار الصناعية المكعبة والصغيرة: البيئة المثلى منخفضة SWaP. يمكن لمثل هذه الروابط تمكين روابط عالية السرعة بين الأقمار الصناعية (ISL) للمجموعات الضخمة، مما يقلل الاعتماد على الترددات الراديوية ذات القيود الطيفية. شركات مثل سبيس إكس (ستارلينك) وبلانيت لابس هي مستخدمون نهائيون محتملون.
• أسراب المركبات الجوية غير المأهولة (UAV): اتصال آمن وعالي النطاق الترددي بين الطائرات المسيرة للمهام المنسقة دون انبعاثات ترددية قابلة للكشف.
• الاتصالات الأرضية للوصلة الأخيرة: في عمليات التعافي من الكوارث أو العمليات العسكرية، النشر السريع لروابط عالية النطاق الترددي بين العقد المؤقتة.
• اتجاهات التطوير المستقبلية:
  1. الترميز ومعالجة الإشارات الرقمية على الشريحة: دمج تصحيح الخطأ الأمامي المتقدم (مثل LDPC، Polar codes) وخوارزميات الكشف مباشرة في شريحة CMOS الخاصة بالمستقبل لسد فجوة الحساسية عن الحد الكمي القياسي دون زيادة الطاقة أو الحجم بشكل كبير.
  2. تغيير الطول الموجي: الانتقال من 635 نانومتر إلى أطوال موجية الاتصالات (1550 نانومتر) لتحسين انتقال الإشارة في الغلاف الجوي والسلامة البصرية، باستخدام مواد مثل SPADs من InGaAs/InP (على الرغم من أن التكامل مع CMOS أكثر صعوبة).
  3. تكامل توجيه الشعاع والتتبع: دمج مرايا الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) أو موجهات الشعاع القائمة على البلورات السائلة في نفس العبوة لضمان المحاذاة القوية في روابط FSO الديناميكية، وهي خطوة حاسمة للمنصات المتنقلة.
  4. النمذجة الأولية للشبكات: الانتقال من الروابط من نقطة إلى نقطة إلى إثبات شبكات صغيرة وعرضية من هذه العقد منخفضة SWaP، مع معالجة البروتوكولات وإدارة الشبكة.

7. 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. Chitnis, D., & Collins, S. (2014). A SPAD-based photon detecting system for optical communications. Journal of Lightwave Technology, 32(10), 2028-2034.
3. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
4. DARPA. (n.d.). Direct On-chip Digital Optical Synthesizer (DODOS) Program. Retrieved from https://www.darpa.mil/program/direct-on-chip-digital-optical-synthesizer
5. NASA. (2020). Optical Communications and Sensor Demonstration (OCSD). Retrieved from https://www.nasa.gov/smallsat-institute/sst-soa/communications
6. Richardson, D. J., Fini, J. M., & Nelson, L. E. (2013). Space-division multiplexing in optical fibres. Nature Photonics, 7(5), 354-362.