कम SWaP हार्डवेयर पर आधारित उच्च संवेदनशीलता मुक्त स्थान प्रकाश संचार

1. परिचय एवं अवलोकन

इस कार्य ने आकार, भार और शक्ति खपत की महत्वपूर्ण चुनौती का समाधान करते हुए, मुक्त-अवकाश प्रकाश संचार प्रणालियों के क्षेत्र में उल्लेखनीय प्रगति की है। पारंपरिक उच्च संवेदनशीलता या उच्च डेटा दर FSO प्रदर्शन आमतौर पर भारी, उच्च शक्ति वाले उपकरणों पर निर्भर करते हैं, जैसे मनमाना तरंगरूप जनरेटर, बाह्य मॉड्यूलेटर या क्रायोजेनिक रिसीवर। यह पत्र एक सघन, एकीकृत समाधान प्रस्तुत करता है जो ट्रांसमीटर के रूप में CMOS-नियंत्रित गैलियम नाइट्राइड माइक्रो-एलईडी और रिसीवर के रूप में CMOS-एकीकृत एकल-फोटॉन अवलंब डायोड सरणी का उपयोग करता है। इस प्रणाली ने 100 Mb/s की डेटा दर प्राप्त की, जिसमें -55.2 dBm (लगभग 7.5 फोटॉन प्रति बिट का पता लगाने के बराबर) तक की उच्च रिसीवर संवेदनशीलता प्राप्त हुई, जबकि कुल शक्ति खपत 5.5 W से कम रही, जिससे कठोर SWaP बाधाओं के तहत उच्च-प्रदर्शन प्रकाश लिंक की व्यवहार्यता सत्यापित हुई।

2. मूलभूत प्रौद्योगिकी

प्रणाली का प्रदर्शन दो प्रमुख एकीकृत फोटोनिक प्रौद्योगिकियों पर निर्भर करता है।

3. System Implementation and Methodology

4. प्रयोगात्मक परिणाम और प्रदर्शन

चार्ट कैप्शन: बिट एरर रेट बनाम प्राप्त ऑप्टिकल पावर का ग्राफ आमतौर पर दो वक्र दिखाता है, एक 50 Mb/s के लिए और एक 100 Mb/s के लिए। 50 Mb/s वक्र लक्ष्य बिट एरर रेट (जैसे 1e-3) को 100 Mb/s वक्र (लगभग -55.2 dBm) की तुलना में कम शक्ति स्तर (लगभग -60.5 dBm) पर प्राप्त करेगा, जो डेटा दर और संवेदनशीलता के बीच व्यापार-बंद को प्रदर्शित करता है। यह ग्राफ मानक क्वांटम सीमा के साथ प्रदर्शन अंतर को उजागर करेगा।

परिणाम स्पष्ट रूप से डेटा दर और संवेदनशीलता के बीच व्यापार-बंद को प्रदर्शित करते हैं। 50 Mb/s दर पर, उच्चतर -60.5 dBm संवेदनशीलता प्राप्त की गई। रिपोर्ट के अनुसार, 100 Mb/s दर पर 635 nm प्रकाश के लिए इस प्रणाली का प्रदर्शन मानक क्वांटम सीमा (-70.1 dBm) के 18.5 dB के भीतर है।

5. तकनीकी विश्लेषण और गणितीय ढांचा

इस प्रकार के फोटॉन-गणना रिसीवर के लिए, इसकी मौलिक सीमा प्रत्यक्ष पहचान की मानक क्वांटम सीमा है, जो फोटॉन आगमन के पॉइसन सांख्यिकी से उत्पन्न होती है। OOK के लिए बिट त्रुटि संभावना निम्नलिखित समीकरण द्वारा दी गई है:

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

यहाँ $P(0|1)$ "1" भेजे जाने पर "0" के रूप में निर्णय लिए जाने की प्रायिकता (मिस डिटेक्शन) है, और $P(1|0)$ "0" भेजे जाने पर "1" के रूप में निर्णय लिए जाने की प्रायिकता (फॉल्स अलार्म, आमतौर पर डार्क काउंट से उत्पन्न) है। SPAD के लिए, डेड टाइम $\tau_d$ के कारण, डिटेक्ट की गई काउंट दर $R_d$ आपतित फोटॉन फ्लक्स $\Phi$ के साथ रैखिक संबंध नहीं रखती है:

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

यहाँ $\eta$ डिटेक्शन दक्षता है। यह अरैखिकता और आफ्टरपल्सिंग जैसे संबंधित प्रभाव, साधारण RZ-OOK योजना को NRZ योजना के बजाय चुनने का एक प्रमुख कारण हैं, क्योंकि यह इंटर-सिंबल इंटरफेरेंस को कम करने के लिए बिट्स के बीच स्पष्ट समय अंतराल प्रदान करती है।

6. विश्लेषक दृष्टिकोण: मुख्य अंतर्दृष्टि और मूल्यांकन

मुख्य अंतर्दृष्टि: Griffiths और उनके सहयोगियों ने एकव्यावहारिक नवाचारका एक आदर्श उदाहरण प्रस्तुत किया। उन्होंने रिकॉर्ड तोड़ संवेदनशीलता का पृथक रूप से पीछा करने के बजाय, एकसमग्र रूप से अनुकूलित प्रणाली, जिसमें एकीकृत CMOS फोटोनिक्स ने सीधे कम SWaP फॉर्म फैक्टर को साकार किया है। वास्तविक सफलता केवल -55.2 dBm की संवेदनशीलता नहीं है, बल्कि यह है कि यह संवेदनशीलता पूरे ट्रांसीवर की बिजली खपत एक घरेलू LED बल्ब से कम होने पर हासिल की गई है। यह कथा को प्रयोगशाला की जिज्ञासा से तैनाती योग्य संपत्ति में बदल देता है।

तार्किक प्रवाह और रणनीतिक विकल्प: तर्क अकाट्य है। 1) समस्या: उच्च-प्रदर्शन FSO, SWaP प्रतिबंधों के अधीन है।2) समाधान धारणाएँ: महत्वपूर्ण फोटोनिक कार्यों का CMOS एकीकरण (माइक्रो-LED ड्राइवर, काउंटर के साथ SPAD सरणी) एकमात्र व्यवहार्य मार्ग है।3) सत्यापन: सबसे सरल मॉड्यूलेशन विधि (RZ-OOK) का उपयोग करके पहले एकीकृत हार्डवेयर की आधारभूत क्षमता सिद्ध करें, जिससे SWaP लाभ उजागर हो। यह हार्डवेयर-जागरूक मशीन लर्निंग अनुसंधान में अग्रणी अवधारणाओं को दर्शाता है, जैसे कि"Efficient Processing of Deep Neural Networks: A Tutorial and Survey"(Sze et al., Proceedings of the IEEE, 2017) में किए गए कार्य का तर्क है कि वास्तविक दुनिया की दक्षता प्राप्त करने के लिए एल्गोरिदम और हार्डवेयर का सह-डिजाइन किया जाना चाहिए - एक सिद्धांत जो यहाँ स्पष्ट रूप से प्रदर्शित होता है।

लाभ और सीमाएँ: मुख्य लाभ इसका प्रभावशालीसिस्टम-स्तरीय प्रदर्शन。<5.5W的功耗数据是支持在无人机或卫星中现场部署的有力论据。然而，该论文的主要不足在于其डेटा घनत्व पर रणनीतिक मौन100 Mb/s सेंसर टेलीमेट्री के लिए पर्याप्त है, लेकिन आधुनिक संचार के लिए नगण्य है। सरल OOK का उपयोग, हालांकि इस प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट के लिए समझदारी है, लेकिन इससे बड़ी स्पेक्ट्रल दक्षता का त्याग किया गया है। उन्होंने यह साबित करने के लिए एक अत्यंत कुशल साइकिल बनाई कि इंजन काम करता है, जबकि उद्योग को एक ट्रक की आवश्यकता है। इसके अलावा, किसी भी सिस्टम के लिए जो फील्ड में तैनात होने के लिए तैयार है, लिंक रोबस्टनेस (जैसे, वायुमंडलीय अशांति, पॉइंटिंग त्रुटियों के प्रति रोबस्टनेस) - FSO की Achilles' heel - के विश्लेषण का अभाव, एक महत्वपूर्ण चूक है।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि: 1) शोधकर्ताओं के लिए: अगला कदम संवेदनशीलता को एक और dB बढ़ाना नहीं है, बल्कि इस एकीकृत प्लेटफॉर्म को लागू करना हैउच्च-क्रम मॉड्यूलेशन(उदाहरण के लिए, PPM, DPSK), ताकि SWaP को आनुपातिक रूप से बढ़ाए बिना बिट दर में सुधार किया जा सके। 2) निवेशकों और एकीकरणकर्ताओं के लिए: यह तकनीक परिपक्व हो चुकी है और इसके लिए उपयुक्त हैविशिष्ट, उच्च-मूल्य वाले अनुप्रयोग परिदृश्यइन परिदृश्यों को कम डेटा दर, अत्यधिक संवेदनशीलता और अति-निम्न SWaP के संयोजन की आवश्यकता होती है: उदाहरण के लिए, गहन अंतरिक्ष क्यूबसैट क्रॉस-लिंक, सुरक्षित सैन्य बैकपैक इकाइयाँ, या बिजली-सीमित वातावरण में IoT बैकहॉल। मूल्य एकीकृत समाधान में है, न कि व्यक्तिगत घटकों में।3) क्रिटिकल पाथ: उद्योग को अब इस सुरुचिपूर्ण प्रयोगशाला सेटअप को मजबूत करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए - अशांति दमन के लिए अनुकूली प्रकाशिकी और मजबूत अधिग्रहण/ट्रैकिंग प्रणालियों को जोड़कर - एक उत्कृष्ट प्रोटोटाइप से उत्पाद में संक्रमण के लिए।

7. विश्लेषणात्मक ढांचा और केस उदाहरण

ढांचा: SWaP बाधाओं के तहत सिस्टम प्रदर्शन व्यापार-विश्लेषण

ऐसी प्रौद्योगिकियों का मूल्यांकन करने के लिए, हम एक सरल परंतु शक्तिशाली ढांचा प्रस्तावित करते हैं जो SWaP बजट बाधा के तहत दो अक्षों पर प्रदर्शन को आलेखित करता है।

1. अक्ष Y1: महत्वपूर्ण प्रदर्शन संकेतक – उदाहरण के लिए, डेटा दर, संवेदनशीलता या लिंक दूरी।
2. अक्ष Y2: प्रणाली दक्षता – उदाहरण के लिए, प्रति वाट KPI या प्रति इकाई आयतन KPI।
3. बाधा बुलबुला आकार: कुल SWaP बजट – उदाहरण के लिए, बिजली की खपत, आयतन।

केस अनुप्रयोग:

• यह कार्य (Griffiths et al.): यह एक स्थान पर कब्जा करेगा, जिसकी पूर्ण डेटा दर मध्यम (~100 Mb/s) है, लेकिनदक्षता अत्यधिक उच्च है（~18 Mb/s/W），且SWaP气泡非常小（<5.5W，紧凑外形）。
• पारंपरिक उच्च संवेदनशीलता FSO (उदाहरण के लिए, क्रायोजेनिक डिटेक्टर का उपयोग करके): उच्चतर निरपेक्ष संवेदनशीलता (उदाहरण के लिए, -65 dBm) प्रदर्शित कर सकते हैं, लेकिन दक्षता बहुत कम (अत्यंत छोटा Mb/s/W) और विशाल SWaP बुलबुला होता है।
• पारंपरिक उच्च दर FSO (उदाहरण के लिए, भारी-भरकम EDFA/लेज़र का उपयोग करके): उच्च निरपेक्ष डेटा दर (उदाहरण के लिए, 10 Gb/s) प्रदर्शित करेंगे, लेकिन दक्षता मध्यम से खराब है, और SWaP बुलबुला बड़ा है।

इस विज़ुअलाइज़ेशन से तुरंत पता चलता है कि इस कार्य की विशेषता किसी एकल निरपेक्ष KPI में श्रेष्ठता नहीं, बल्किउच्च दक्षता, कम SWaP चतुर्थांश पर प्रभुत्व स्थापित करने में है।, जिससे पूरी तरह से नए अनुप्रयोग क्षेत्र खुल जाते हैं।

8. भविष्य के अनुप्रयोग और विकास दिशाएँ

प्रदर्शित एकीकरण मार्ग कई परिवर्तनकारी अनुप्रयोगों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है:

• नैनो/माइक्रोसैटेलाइट तारामंडल: अंतरिक्ष में क्लस्टर समन्वय और डेटा रिले के लिए अति-कॉम्पैक्ट, कम-शक्ति अंतर-उपग्रह लिंक, जहां SWaP महत्वपूर्ण है।
• ड्रोन नेटवर्क: निगरानी और संचार रिले के लिए सुरक्षित, उच्च-बैंडविड्थ वायु-से-वायु और वायु-से-भूमि डेटा लिंक।
• पोर्टेबल एवं सुरक्षित सामरिक संचार: लाइन-ऑफ-साइट से परे सुरक्षित संचार के लिए पैदल सैनिक द्वारा पीठ पर ले जाने या वाहन पर लगाने योग्य प्रणाली, जो RF अवरोधन/जैमिंग से सुरक्षित हो।
• ऊर्जा संग्रहण IoT बैकहॉल: दूरस्थ सेंसर नेटवर्क को जोड़ना जहां बिजली आपूर्ति बहुत कम है।

प्रमुख विकास दिशाएँ:

1. मॉड्यूलेशन तकनीक उन्नयन: OOK से अधिक स्पेक्ट्रल दक्षता या संवेदनशीलता-अनुकूलित योजनाओं जैसे पल्स पोजीशन मॉड्यूलेशन या डिफरेंशियल फेज शिफ्ट कीइंग में स्थानांतरण, और समान CMOS प्लेटफॉर्म का उपयोग करना।
2. तरंगदैर्ध्य विस्तार: बेहतर वायुमंडलीय संचरण प्रदर्शन और आंखों की सुरक्षा के लिए संचार तरंगदैर्ध्य (उदाहरण 1550 nm) के लिए माइक्रो-LED और SPAD विकसित करना।
3. सहकारी एकीकरण और सिस्टम-ऑन-चिप: ड्राइवर इलेक्ट्रॉनिक्स, डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (फॉरवर्ड एरर करेक्शन, क्लॉक रिकवरी के लिए) और कंट्रोल लॉजिक को फोटोनिक डिवाइसेज के साथ एकल CMOS चिप पर एकीकृत करना।
4. बीम स्टीयरिंग एकीकरण: माइक्रो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल सिस्टम या लिक्विड क्रिस्टल-आधारित बीम स्टीयरिंग को सीधे पैकेजिंग में एकीकृत करना, ताकि मजबूत संरेखण और ट्रैकिंग प्राप्त की जा सके।

9. संदर्भ सूची

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. (इसके सिस्टम-स्तरीय सह-डिजाइन दर्शन का हवाला देते हुए)।
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. (Advanced CMOS-SPAD integration example).
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. (सभी संचार सीमाओं का मूलभूत सिद्धांत)।