ارتباطات نوری فضای آزاد با حساسیت بالا با استفاده از سخت‌افزار کم‌حجم، سبک و کم‌مصرف (Low SWaP)

مرور کلی

این پژوهش یک پیوند عملی ارتباطات نوری فضای آزاد (FSO) را نشان می‌دهد که از سخت‌افزار بسیار یکپارچه و کم‌حجم، سبک و کم‌مصرف (SWaP) بهره می‌برد. این سیستم یک فرستنده میکروالایدی مبتنی بر نیترید گالیم (GaN) که توسط یک درایور CMOS کنترل می‌شود، را با یک گیرنده مبتنی بر آرایه‌ای یکپارچه‌شده با CMOS از دیودهای بهمنی تک‌فوتونی (SPAD) ترکیب می‌کند. با استفاده از یک طرح مدولاسیون ساده کلیدزنی روشن-خاموش بازگشت به صفر (RZ-OOK)، این پیوند به نرخ داده ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه با حساسیت گیرنده ۵۵.۲- دسی‌بل‌متر (متناظر با ~۷.۵ فوتون آشکارشده در هر بیت) دست یافته است، در حالی که مجموع توان مصرفی آن کمتر از ۵.۵ وات است. این گامی مهم به سوی سیستم‌های ارتباط نوری با کارایی بالا و قابل استقرار برای محیط‌های با محدودیت است.

۱۰۰ مگابیت بر ثانیه

نرخ داده نمایش‌داده‌شده

۵۵.۲- دسی‌بل‌متر

حساسیت گیرنده در ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه

< ۵.۵ وات

توان کل سیستم

۷.۵ فوتون/بیت

بازدهی آشکارسازی

1. مقدمه

ارتباطات نوری فضای آزاد پتانسیل پهنای باند بالایی را ارائه می‌دهد، اما اغلب به تجهیزات حجیم و پرمصرف مانند لیزرهای هدایت‌شده با مدولاتور خارجی و گیرنده‌های کرایوژنیک متکی است. نیاز به کاربرد در ماهواره‌های کوچک (کیوب‌ست‌ها)، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) و ترمینال‌های زمینی قابل حمل، ضرورت تغییر پارادایم به سمت سخت‌افزار کم‌حجم، سبک و کم‌مصرف (Low-SWaP) را ایجاب می‌کند. این مقاله با بهره‌گیری از دو فناوری کلیدی سازگار با CMOS به این نیاز می‌پردازد: میکروالایدی‌های با پهنای باند بالا برای ارسال و آرایه‌های SPAD برای دریافت فوق‌حساس. یکپارچه‌سازی هر دو عنصر در سیستم‌های فشرده با رابط دیجیتال، نوآوری اصلی است که فراتر از نمایش‌های آزمایشگاهی به پیاده‌سازی‌های عملی حرکت می‌کند.

2. روش‌ها و معماری سیستم

سیستم ارتباطی از دو زیرسیستم یکپارچه ساخته شده است: یک فرستنده و یک گیرنده، که هر دو برای حداقل SWaP طراحی شده‌اند.

2.1 فرستنده: میکروالایدی کنترل‌شده با CMOS

منبع، یک میکروالایدی مبتنی بر GaN است که به یک تراشه کنترل CMOS باند شده است. این یکپارچه‌سازی امکان کنترل دیجیتال مستقیم انتشار نور را با دقت فضایی و زمانی بالا فراهم می‌کند و نیاز به مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ (DAC) و مولدهای شکل موج دلخواه جداگانه را از بین می‌برد. میکروالایدی‌ها پهنای باند مدولاسیون بالایی (قادر به نرخ‌های گیگابیت بر ثانیه) ارائه می‌دهند و آن‌ها را برای ارتباطات پرسرعت مناسب می‌سازند.

2.2 گیرنده: آرایه SPAD

هسته گیرنده، یک آرایه ساخته‌شده با CMOS از دیودهای بهمنی تک‌فوتونی است. یک SPAD در حالت گایگر کار می‌کند و با جذب یک فوتون منفرد، یک پالس الکتریکی قابل آشکارسازی تولید می‌کند که به دنبال آن یک زمان مرده (dead time) می‌آید. آرایه‌ای کردن SPADها و ترکیب خروجی‌های آن‌ها، محدودیت‌های زمان مرده را کاهش می‌دهد و امکان دینامیک رنج بالا را فراهم می‌کند. یکپارچه‌سازی CMOS امکان پردازش سیگنال قابل توجه روی تراشه (مانند خاموش‌سازی، شمارش) را فراهم می‌کند و پیچیدگی بخش پایانی را کاهش می‌دهد.

2.3 طرح مدولاسیون: RZ-OOK

مدولاسیون انتخاب‌شده، کلیدزنی روشن-خاموش بازگشت به صفر (RZ-OOK) است. در حالی که نسبت به کلیدزنی روشن-خاموش بدون بازگشت به صفر (NRZ) به پهنای باند بیشتری نیاز دارد، RZ-OOK تداخل بین نماد (ISI) ناشی از زمان مرده و آمار ورود فوتون در سیستم‌های مبتنی بر SPAD را کاهش می‌دهد. سیگنال با استفاده از یک آشکارساز آستانه‌ای ساده کدگشایی می‌شود. فرآیند آشکارسازی فوتون پواسونی است. احتمال آشکارسازی k فوتون در دوره بیتی با نرخ ورود متوسط $λ$ فوتون/بیت با رابطه زیر داده می‌شود: $$P(k) = \frac{e^{-λ} λ^k}{k!}$$ نسبت خطای بیتی (BER) اساساً توسط این آمار به سمت حد کوانتومی استاندارد (SQL) محدود می‌شود.

3. نتایج آزمایشی و عملکرد

3.1 حساسیت و نرخ داده

نتایج اصلی در معیارهای عملکرد خلاصه شده است. این پیوند دو نقطه عملیاتی کلیدی را نشان داد:

۵۰ مگابیت بر ثانیه: به حساسیت ۶۰.۵- دسی‌بل‌متر دست یافت.
۱۰۰ مگابیت بر ثانیه: به حساسیت ۵۵.۲- دسی‌بل‌متر دست یافت که تقریباً معادل ۷.۵ فوتون آشکارشده در هر بیت است.

گزارش شده است که این حساسیت ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه، ۱۸.۵ دسی‌بل از حد کوانتومی استاندارد (SQL) ۷۰.۱- دسی‌بل‌متر برای نور ۶۳۵ نانومتر فاصله دارد که نشان‌دهنده فضای قابل بهبود از طریق کدینگ و الگوریتم‌های آشکارسازی پیشرفته است.

3.2 مصرف توان و معیارهای SWaP

دستاوردی حیاتی، مصرف توان کل سیستم کمتر از ۵.۵ وات برای نمونه اولیه بهینه‌نشده است. این توان کم، همراه با فشردگی ذاتی دستگاه‌های CMOS و باندشده به روش فلپ‌چیپ، فرضیه کم‌SWaP را تأیید می‌کند. این سیستم از اجزای پرمصرف مانند خنک‌کننده‌های ترموالکتریک (رایج در APDها) یا سیستم‌های کرایوژنیک (برای آشکارسازهای ابررسانا) صرف‌نظر کرده است.

3.3 تحلیل نسبت خطای بیتی

منحنی‌های BER به عنوان تابعی از توان نوری دریافتی اندازه‌گیری شدند. این منحنی‌ها شیب مشخصه گیرنده‌های شمارش فوتون را نشان می‌دهند. افت عملکرد در نرخ‌های داده بالاتر به تأثیر افزایش‌یافته زمان مرده SPAD و ISI نسبت داده می‌شود. استفاده از مدولاسیون RZ در این زمینه، همان‌طور که پیش‌بینی شده بود، مزیت واضحی در BER نسبت به NRZ ارائه داد.

توضیح نمودار (ضمنی): نموداری که BER (مقیاس لگاریتمی) را در مقابل توان نوری دریافتی (دسی‌بل‌متر) ترسیم می‌کند. دو منحنی برای ۵۰ مگابیت بر ثانیه و ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه نشان داده شده است. منحنی ۵۰ مگابیت بر ثانیه در توان پایین‌تری (حساسیت بیشتر) به BER معادل ۱e-3 می‌رسد. هر دو منحنی یک منطقه تند "آبشاری" را نشان می‌دهند. خطوط نقطه‌چین ممکن است حد نظری SQL را نشان دهند.

4. تحلیل فنی و بینش‌های کلیدی

بینش کلیدی: این مقاله درباره شکستن رکوردهای محض حساسیت نیست؛ بلکه یک کلاس استادانه در مهندسی سیستم‌های عمل‌گرا است. پیشرفت واقعی اثبات این است که می‌توان حساسیت نزدیک به حد کوانتومی (۵۵.۲- دسی‌بل‌متر در ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه) را از یک جعبه بسیار ساده، ذاتاً دیجیتال و به شدت کم‌مصرف (کمتر از ۵.۵ وات) استخراج کرد. در حالی که دیگران با هلیوم مایع و DSP پیچیده به دنبال نزدیک‌تر شدن دسی‌بل‌ها به SQL هستند، گریفیتس و همکاران می‌پرسند: "یک پیوند ۷۰- دسی‌بل‌متر چه فایده‌ای دارد اگر برای حمل آن به یک کامیون نیاز باشد؟" پاسخ آن‌ها یکپارچه‌سازی مستقیم یک میکروالایدی و آرایه SPAD روی CMOS است، که یک کنجکاوی آزمایشگاهی را به یک دارایی قابل استقرار برای پلتفرم‌های با محدودیت SWaP مانند کیوب‌ست‌ها و پهپادها تبدیل می‌کند.

جریان منطقی: استدلال به زیبایی خطی است. ۱) FSO با حساسیت بالا وجود دارد اما به سخت‌افزار حجیم و پرمصرف متکی است (بیان مسئله). ۲) دو فناوری سازگار با CMOS—میکروالایدی‌ها (فرستنده‌های سریع و قابل یکپارچه‌سازی) و آرایه‌های SPAD (گیرنده‌های حساس به تک‌فوتون و قابل یکپارچه‌سازی)—به عنوان راه‌حل شناسایی می‌شوند. ۳) آن‌ها را با استفاده از ساده‌ترین مدولاسیون ممکن (RZ-OOK) در یک سیستم حداقلی یکپارچه کنید تا از کدینگ پیچیده و پرمصرف اجتناب شود. ۴) اندازه‌گیری: داده‌ها همزمان حساسیت بالا و توان کم را نشان می‌دهند. منطق ثابت می‌کند که یکپارچه‌سازی + سادگی = عملکرد عملی بالا.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت انکارناپذیر است: کارایی سطح سیستم SWaP که به ندرت در مقالات فوتونیک آکادمیک اندازه‌گیری می‌شود، چه برسد به دستیابی. انتخاب RZ-OOK برای کاهش مشکلات زمان مرده SPAD هوشمندانه است. با این حال، ضعف در معامله‌ای است که برای آن سادگی انجام شده است. نرخ ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه متوسط است و فاصله ۱۸.۵ دسی‌بلی تا SQL قابل توجه است. همان‌طور که در کارهای بنیادی ارتباطات SPAD مانند D. Chitnis and S. Collins, "A SPAD-based photon detecting system for optical communications," JLT 2014 ذکر شده است، مدولاسیون پیشرفته (مانند PPM) و تصحیح خطای رو به جلو می‌تواند بخش عمده‌ای از این فاصله را پر کند. مقاله این را تصدیق می‌کند اما آن را برای کار آینده باقی می‌گذارد و ادعای بهینه بودن را کمی تضعیف می‌کند.

بینش‌های قابل اجرا: برای صنعت، این یک نقشه راه است: از طراحی بیش از حد دست بردارید. با هسته‌های فوتونیک-الکترونیک عمیقاً یکپارچه شروع کنید (CMOS دوست شماست) و تنها در صورتی که راه‌حل ساده شکست بخورد، پیچیدگی (مدولاسیون، کدینگ) را اضافه کنید. بودجه توان کمتر از ۵.۵ وات عددی است که مدیران محصول نسل بعدی باید آن را شکست دهند. برای محققان، مسیر روشن است. مقاله بعدی باید شکاف حساسیت را با استفاده از کدینگ و پردازش روی تراشه پر کند. آیا منطق CMOS کم‌مصرف می‌تواند کدهای نزدیک به ظرفیت مانند LDPC را برای بازیابی آن ۱۸ دسی‌بل پیاده‌سازی کند؟ این سوال میلیارد دلاری برای سلطه‌یافتن این فناوری در بک‌هال 6G یا صورت‌های فلکی ماهواره‌ای است، فراتر از کاربردهای خاص.

5. چارچوب تحلیل و مثال موردی

چارچوب: ماتریس معامله طراحی سیستم با محدودیت SWaP

این مورد نمونه‌ای از تحلیل معامله ساختاریافته برای سیستم‌های فوتونیک تعبیه‌شده را نشان می‌دهد. چارچوب، محدودیت‌ها را اولویت‌بندی می‌کند و قربانی‌های عمدی انجام می‌دهد.

شناسایی محدودیت اولیه: SWaP از اهمیت بالایی برخوردار است. این بلافاصله لیزرهای پرمصرف، مدولاتورهای خارجی، سیستم‌های کرایوژنیک و اپتیک‌های گسسته حجیم را حذف می‌کند.
انتخاب فناوری ("چیستی"): توابع مورد نیاز (انتشار پرسرعت، آشکارسازی تک‌فوتون) را به کارآمدترین فناوری‌های قابل یکپارچه‌سازی از نظر SWaP نگاشت دهید: میکروالایدی‌ها و SPADهای CMOS.
کمینه‌سازی پیچیدگی ("چگونگی"): ساده‌ترین الگوریتم/مدولاسیونی را انتخاب کنید که مشخصه عملکرد اصلی را برآورده می‌کند. در اینجا، حداکثر حساسیت در یک نرخ داده هدف (۱۰۰ مگابیت بر ثانیه) هدف است، نه حداکثر کارایی طیفی. بنابراین، m-QAM پیچیده به نفع RZ-OOK ساده رد می‌شود.
تعریف نقطه یکپارچه‌سازی: مرزی را تعریف کنید که در آن سخت‌افزار سفارشی باید برای صرفه‌جویی در توان، جایگزین نرم‌افزار شود. در اینجا، شمارش فوتون و آستانه‌گذاری اولیه به مدار اختصاصی آرایه SPAD CMOS منتقل می‌شود.
اعتبارسنجی معیار: کل سیستم را در برابر تمام محدودیت‌های اولیه اندازه‌گیری کنید (حساسیت: ۵۵.۲- دسی‌بل‌متر، توان: کمتر از ۵.۵ وات، نرخ داده: ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه)، نه فقط عملکرد بهینه یک زیرمؤلفه.

کاربرد موردی: نویسندگان این چارچوب را به طور کامل اعمال کردند. آن‌ها کارایی طیفی و حساسیت نهایی را قربانی کردند (پذیرش فاصله ۱۸.۵ دسی‌بلی تا SQL) تا در محدودیت‌های اولیه توان و قابلیت یکپارچه‌سازی پیروز شوند. یک رویکرد متضاد شکست‌خورده، گرفتن یک آشکارساز تک‌فوتونی نانوسیم ابررسانای (SNSPD) با حساسیت بالا و تلاش برای مینیاتوری کردن خنک‌کننده کرایوژنیک آن است—یک مبارزه علیه فیزیک. موفقیت این مقاله در انتخاب نبردهایی است که می‌توانست با CMOS برنده شود.

6. کاربردهای آینده و جهت‌های توسعه

فناوری نمایش‌داده‌شده دروازه‌هایی به چندین حوزه کاربردی حیاتی می‌گشاید و مسیرهای روشنی برای تکامل پیشنهاد می‌دهد.

صورت‌های فلکی کیوب‌ست و ماهواره‌های کوچک: محیط نهایی کم‌SWaP. چنین پیوندهایی می‌توانند پیوندهای بین ماهواره‌ای (ISL) پرسرعت را برای ابرصورت‌های فلکی ممکن سازند و وابستگی به RF با محدودیت‌های طیفی آن را کاهش دهند. شرکت‌هایی مانند اسپیس‌ایکس (استارلینک) و پلنت لبز کاربران نهایی بالقوه هستند.
انبوه وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV): ارتباط امن و پهن‌باند بین پهپادها برای مأموریت‌های هماهنگ بدون انتشار RF قابل آشکارسازی.
ارتباط زمینی آخرین مایل: در بازیابی پس از فاجعه یا عملیات نظامی، استقرار سریع پیوندهای پهن‌باند بین گره‌های موقت.
جهت‌های توسعه آینده:
1. کدینگ و DSP روی تراشه: یکپارچه‌سازی تصحیح خطای رو به جلو پیشرفته (مانند LDPC، کدهای قطبی) و الگوریتم‌های آشکارسازی مستقیماً در گیرنده CMOS برای پر کردن شکاف حساسیت به SQL بدون افزایش قابل توجه توان یا اندازه.
2. مقیاس‌بندی طول موج: حرکت از ۶۳۵ نانومتر به طول‌موج‌های مخابراتی (۱۵۵۰ نانومتر) برای انتقال جوی بهتر و ایمنی چشم، با استفاده از موادی مانند SPADهای InGaAs/InP (اگرچه یکپارچه‌سازی با CMOS چالش‌برانگیزتر است).
3. یکپارچه‌سازی هدایت و ردیابی پرتو: گنجاندن آینه‌های سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) یا هدایت‌کننده‌های پرتو مبتنی بر کریستال مایع در همان بسته‌بندی برای هم‌ترازی قوی در پیوندهای FSO پویا، گامی حیاتی برای پلتفرم‌های متحرک.
4. نمونه‌سازی شبکه: حرکت از پیوندهای نقطه به نقطه به نمایش شبکه‌های کوچک و خودسازمانده از این گره‌های کم‌SWaP، پرداختن به پروتکل‌ها و مدیریت شبکه.

7. مراجع

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