ارتباطات نوری فضای آزاد با حساسیت بالا با استفاده از سخت‌افزار کم‌حجم، کم‌وزن و کم‌مصرف

1. مقدمه و مرور کلی

این کار با پرداختن به چالش حیاتی حجم، وزن و توان (SWaP)، پیشرفتی چشمگیر در سیستم‌های ارتباطات نوری فضای آزاد (FSO) را نشان می‌دهد. نمایش‌های سنتی FSO با حساسیت بالا یا نرخ داده بالا اغلب به تجهیزات حجیم و پرمصرف مانند مولدهای شکل‌موج دلخواه، مدولاتورهای خارجی یا گیرنده‌های برودتی متکی هستند. این مقاله یک راه‌حل فشرده و یکپارچه را ارائه می‌دهد که از یک میکروالایدی نیترید گالیم (GaN) کنترل‌شده با CMOS به عنوان فرستنده و یک آرایه دیود بهمنی تک‌فوتونی (SPAD) مجتمع‌شده با CMOS به عنوان گیرنده استفاده می‌کند. این سیستم با حساسیت قابل توجه گیرنده ۵۵.۲- دسی‌بل‌متر (معادل ~۷.۵ فوتون آشکارشده در هر بیت) به نرخ داده ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه دست می‌یابد و در عین حال کمتر از ۵.۵ وات توان کل مصرف می‌کند. این امر امکان‌پذیری پیوندهای نوری با عملکرد بالا تحت محدودیت‌های سخت SWaP را تأیید می‌کند.

2. فناوری‌های هسته‌ای

عملکرد سیستم به دو فناوری فوتونیک یکپارچه کلیدی وابسته است.

3. پیاده‌سازی سیستم و روش‌ها

4. نتایج آزمایشی و عملکرد

توضیح نمودار: یک نمودار BER در مقابل توان نوری دریافتی معمولاً دو منحنی را نشان می‌دهد، یکی برای ۵۰ مگابیت بر ثانیه و دیگری برای ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه. منحنی ۵۰ مگابیت بر ثانیه در سطح توان پایین‌تری (تقریباً ۶۰.۵- دسی‌بل‌متر) نسبت به منحنی ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه (تقریباً ۵۵.۲- دسی‌بل‌متر) به یک BER هدف (مثلاً ۱e-3) می‌رسد که نشان‌دهنده مبادله بین نرخ داده و حساسیت است. نمودار شکاف عملکردی با حد کوانتومی استاندارد (SQL) را برجسته می‌کند.

نتایج به وضوح مبادله بین نرخ داده و حساسیت را نشان می‌دهد. در نرخ ۵۰ مگابیت بر ثانیه، حساسیت حتی بالاتری معادل ۶۰.۵- دسی‌بل‌متر حاصل شد. عملکرد سیستم در ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه، در فاصله ۱۸.۵ دسی‌بلی از SQL برای نور ۶۳۵ نانومتر گزارش شده است که ۷۰.۱- دسی‌بل‌متر است.

5. تحلیل فنی و چارچوب ریاضی

حد بنیادی برای چنین گیرنده‌ای که فوتون‌ها را می‌شمارد، حد کوانتومی استاندارد (SQL) برای آشکارسازی مستقیم است که از آمار پواسونی ورود فوتون‌ها مشتق می‌شود. احتمال خطا برای OOK به صورت زیر داده می‌شود:

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

که در آن $P(0|1)$ احتمال تصمیم‌گیری «۰» هنگامی که «۱» ارسال شده است (خطای عدم آشکارسازی) و $P(1|0)$ احتمال تصمیم‌گیری «۱» هنگامی که «۰» ارسال شده است (هشدار کاذب، اغلب ناشی از شمارش‌های تاریک) است. برای یک SPAD، نرخ شمارش آشکارشده $R_d$ به دلیل زمان مرده $\tau_d$ با شار فوتون فرودی $\Phi$ خطی نیست:

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

که در آن $\eta$ بازده آشکارسازی است. این غیرخطی بودن و اثرات مرتبط مانند پالس‌های پسین، دلایل کلیدی هستند که چرا طرح ساده RZ-OOK به جای NRZ انتخاب شد، زیرا جداسازی زمانی واضح‌تری بین بیت‌ها برای کاهش ISI فراهم می‌کند.

6. دیدگاه تحلیلی: بینش کلیدی و نقد

بینش کلیدی: گریفیتس و همکاران یک کلاس استادانه در نوآوری عمل‌گرا اجرا کرده‌اند. آن‌ها به دنبال شکستن رکورد حساسیت به صورت مجزا نبودند، بلکه یک سیستم بهینه‌شده کلی را مهندسی کردند که در آن فوتونیک مجتمع CMOS مستقیماً امکان فرم‌فاکتور کم‌حجم، کم‌وزن و کم‌مصرف را فراهم می‌کند. پیشرفت واقعی فقط ۵۵.۲- دسی‌بل‌متر نیست؛ بلکه دستیابی به آن حساسیت در حالی است که کل فرستنده-گیرنده کمتر از یک لامپ LED خانگی توان مصرف می‌کند. این امر روایت را از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به یک دارایی قابل استقرار تغییر می‌دهد.

جریان منطقی و انتخاب‌های استراتژیک: منطق به طور بی‌عیبی تدافعی است. ۱) مشکل: FSO با عملکرد بالا از نظر SWaP ممنوع است. ۲) فرضیه راه‌حل: یکپارچه‌سازی CMOS عملکردهای فوتونیک کلیدی (درایورهای میکروالایدی، آرایه‌های SPAD با شمارنده‌ها) تنها مسیر عملی است. ۳) اعتبارسنجی: استفاده از ساده‌ترین مدولاسیون ممکن (RZ-OOK) برای اثبات ابتدایی قابلیت سخت‌افزار یکپارچه و جداسازی مزیت SWaP. این امر فلسفه موجود در تحقیقات بنیادی ML آگاه از سخت‌افزار، مانند کار روی «پردازش کارآمد شبکه‌های عصبی عمیق: یک آموزش و مرور» (Sze و همکاران، Proceedings of the IEEE، ۲۰۱۷) را منعکس می‌کند که استدلال می‌کند الگوریتم و سخت‌افزار باید برای کارایی در دنیای واقعی به صورت مشترک طراحی شوند—اصولی که به وضوح در اینجا نشان داده شده است.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت اصلی، نمایش قانع‌کننده در سطح سیستم است. رقم <5.5W یک استدلال قوی برای استقرار میدانی در پهپادها یا ماهواره‌ها است. با این حال، ضعف عمده مقاله سکوت استراتژیک آن در مورد چگالی داده است. ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه برای تله‌متری حسگر کافی است اما برای ارتباطات مدرن ناچیز است. استفاده از OOK ساده، اگرچه برای این اثبات مفهوم هوشمندانه است، بازده طیفی عظیمی را از دست می‌دهد. آن‌ها یک دوچرخه فوق‌العاده کارآمد ساخته‌اند تا عملکرد موتور را ثابت کنند، در حالی که صنعت به یک کامیون نیاز دارد. علاوه بر این، تحلیل استحکام پیوند (مثلاً در برابر تلاطم جوی، خطاهای نشانه‌روی)—که نقطه ضعف FSO است—غایب است، یک حذف حیاتی برای هر سیستم آماده میدانی.

بینش‌های قابل اجرا: ۱) برای محققان: گام بعدی فوری، افزایش حساسیت به اندازه یک دسی‌بل دیگر نیست، بلکه اعمال این پلتفرم یکپارچه به مدولاسیون مرتبه بالاتر (مانند PPM، DPSK) برای افزایش نرخ بیت بدون افزایش متناسب SWaP است. ۲) برای سرمایه‌گذاران و یکپارچه‌سازان: این فناوری برای کاربردهای تخصصی و باارزش که در آن نرخ داده پایین، حساسیت شدید و SWaP فوق‌العاده پایین همگرا می‌شوند، رسیده است: به پیوندهای متقابل کیوب‌ست در اعماق فضا، واحدهای نظامی امن کوله‌پشتی یا بک‌هال اینترنت اشیا در محیط‌های با محدودیت توان فکر کنید. ارزش در بسته یکپارچه است، نه در اجزای منفرد. ۳) مسیر بحرانی: جامعه اکنون باید بر مقاوم‌سازی این چیدمان آزمایشگاهی ظریف—افزودن اپتیک تطبیقی برای کاهش تلاطم و سیستم‌های اکتساب/ردیابی قوی—تمرکز کند تا از یک نمونه اولیه درخشان به یک محصول گذر کند.

7. چارچوب تحلیل و مثال موردی

چارچوب: تحلیل مبادله عملکرد سیستم با محدودیت SWaP

برای ارزیابی فناوری‌هایی مانند این، یک چارچوب ساده اما قدرتمند پیشنهاد می‌کنیم که عملکرد را بر روی دو محور در برابر یک محدودیت بودجه SWaP ترسیم می‌کند:

1. محور Y1: شاخص کلیدی عملکرد (KPI) – مانند نرخ داده (مگابیت بر ثانیه)، حساسیت (دسی‌بل‌متر) یا برد پیوند (کیلومتر).
2. محور Y2: بازده سیستم – مانند KPI بر وات (مگابیت بر ثانیه بر وات) یا KPI بر واحد حجم.
3. اندازه حباب محدودیت: بودجه کل SWaP – مانند توان (وات)، حجم (سانتی‌متر مکعب).

کاربرد موردی:

• این کار (گریفیتس و همکاران): موقعیتی با نرخ داده مطلق متوسط (~۱۰۰ مگابیت بر ثانیه) اما بازدهی فوق‌العاده بالا (~۱۸ مگابیت بر ثانیه بر وات) درون یک حباب SWaP بسیار کوچک (<5.5W، فرم فشرده) را اشغال می‌کند.
• FSO سنتی با حساسیت بالا (مانند استفاده از آشکارسازهای برودتی): ممکن است حساسیت مطلق بالاتری (مثلاً ۶۵- دسی‌بل‌متر) اما بازدهی بسیار پایین (مگابیت بر ثانیه بر وات ناچیز) و یک حباب SWaP عظیم را نشان دهد.
• FSO سنتی با نرخ بالا (مانند استفاده از لیزر/EDFA حجیم): نرخ داده مطلق بالا (مثلاً ۱۰ گیگابیت بر ثانیه) اما بازدهی متوسط تا ضعیف و یک حباب SWaP بزرگ را نشان می‌دهد.

این تصویرسازی بلافاصله نشان می‌دهد که سهم این کار، برنده شدن در هیچ KPI مطلق منفردی نیست، بلکه تسلط بر ربع بازده بالا و SWaP پایین است که فضاهای کاربردی کاملاً جدیدی را باز می‌کند.

8. کاربردهای آینده و جهت‌های توسعه

مسیر یکپارچه‌سازی نشان‌داده شده، راه را برای چندین کاربرد تحول‌آفرین هموار می‌کند:

• صورت‌های فلکی نانو/میکروماهواره‌ای (کیوب‌ست‌ها): پیوندهای بین ماهواره‌ای (ISL) فوق‌فشرده و کم‌مصرف برای هماهنگی گروهی و رله داده در فضا، جایی که SWaP از اهمیت بالایی برخوردار است.
• شبکه‌های وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV): پیوندهای داده امن و پهن‌باند هوا به هوا و هوا به زمین برای نظارت و رله ارتباطی.
• ارتباطات تاکتیکی قابل حمل و امن: سیستم‌های کوله‌پشتی یا نصب‌شده روی وسیله نقلیه برای ارتباطات امن فراتر از خط دید که در برابر رهگیری/اخلال RF مصون هستند.
• بک‌هال اینترنت اشیا با برداشت انرژی: اتصال شبکه‌های حسگر دورافتاده که در آن دسترسی به توان حداقل است.

جهت‌های کلیدی توسعه:

1. پیشرفت در مدولاسیون: انتقال از OOK به طرح‌های بهینه‌شده برای حساسیت یا بازده طیفی بیشتر مانند مدولاسیون موقعیت پالس (PPM) یا کلیدزنی تغییر فاز تفاضلی (DPSK) با استفاده از همان پلتفرم CMOS.
2. مقیاس‌بندی طول موج: توسعه میکروالایدی‌ها و SPADها در طول‌موج‌های مخابراتی (مانند ۱۵۵۰ نانومتر) برای انتقال جوی بهتر و ایمنی چشم.
3. هم‌یکپارچه‌سازی و سیستم روی تراشه (SoC): یکپارچه‌سازی بیشتر الکترونیک درایور، پردازش سیگنال دیجیتال (DSP برای تصحیح خطای رو به جلو، بازیابی کلاک) و منطق کنترل روی یک تراشه CMOS واحد در کنار دستگاه‌های فوتونیک.
4. یکپارچه‌سازی هدایت پرتو: گنجاندن سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) یا هدایت پرتو مبتنی بر کریستال مایع مستقیماً در بسته‌بندی برای هم‌ترازی و ردیابی قوی.

9. مراجع

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. (Cited for system-level co-design philosophy).
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. (Example of advanced CMOS-SPAD integration).
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. (Foundational theory underlying all communication limits).