本研究は、サイズ、重量、電力（SWaP）という重要な課題に取り組むことで、自由空間光（FSO）通信システムにおける大きな進歩を示す。従来の高感度または高データレートのFSO実証は、任意波形発生器、外部変調器、低温受信機などの大型で高消費電力の機器に依存することが多い。本論文では、送信機としてCMOS制御の窒化ガリウム（GaN）マイクロ発光ダイオード（マイクロLED）を、受信機としてCMOS集積単一光子アバランシェダイオード（SPAD）アレイを使用した、コンパクトで集積化されたソリューションを提示する。このシステムは、総消費電力5.5W未満で、100 Mb/sのデータレートと-55.2 dBmという顕著な受信感度（ビットあたり約7.5光子の検出に相当）を達成し、厳しいSWaP制約下での高性能光リンクの実現可能性を実証した。
システムの性能は、2つの主要な集積フォトニクス技術に依存している。
受信機は、CMOS集積単一光子アバランシェダイオード（SPAD）アレイを基盤としている。SPADはガイガーモードで動作し、単一光子の吸収後に検出可能な電気パルスを生成し、その後デッドタイムが生じる。アレイを製造し出力を結合することで、システムは個々のSPADのデッドタイム制限を克服し、高ダイナミックレンジの受信機を実現する。CMOS集積化により、オンチップ信号処理（例：クエンチング、カウンティング）が可能となり、個別構成のセットアップと比較してシステムの複雑さと消費電力を大幅に削減する。このアプローチにより、従来のアバランシェフォトダイオード（APD）よりも標準量子限界（SQL）に近い感度が実現可能となる。
送信機はGaNベースのマイクロLEDを利用する。これらのデバイスは高い変調帯域幅（Gb/sレートを可能にする）を提供し、高密度アレイとして製造可能である。決定的に重要なのは、CMOS駆動電子部品に直接バンプボンディングでき、コンパクトでデジタルインターフェースを持つ送信機を構成できる点である。これにより、外部のデジタル-アナログ変換器（DAC）や高出力レーザードライバーが不要となり、低SWaPプロファイルに大きく貢献する。
システムは、シンプルなリターン・トゥ・ゼロ・オンオフキーイング（RZ-OOK）変調方式を採用している。非リターン・トゥ・ゼロ（NRZ）よりも高い帯域幅を必要とするが、RZはSPADベースの受信機のために特に選択された。これは、SPADのデッドタイムとアフターパルス効果によって引き起こされる符号間干渉（ISI）を軽減し、ビット誤り率（BER）性能を向上させる。実装は単純で、送信機は2つの光パワーレベル間で切り替え、受信機は単一の閾値を使用して復号する。
実験リンクは、CMOS駆動のマイクロLED送信機とSPADアレイ受信機を自由空間配置で構成した。データを生成し、光キャリアに変調して送信し、SPADアレイで検出し、その後処理してBERを計算した。送信機と受信機の電子部品の総消費電力は5.5W未満であることが測定された。
100 Mb/s
-55.2 dBmにおいて
~7.5 光子/ビット
100 Mb/sにおいて
< 5.5 W
システム総消費電力
50 Mb/s
-60.5 dBm感度において
チャート説明： BER対受信光パワーのプロットは通常、50 Mb/s用と100 Mb/s用の2つの曲線を示す。50 Mb/sの曲線は、100 Mb/sの曲線（約-55.2 dBm）よりも低いパワーレベル（約-60.5 dBm）で目標BER（例：1e-3）に達し、データレートと感度のトレードオフを示す。プロットは、標準量子限界（SQL）との性能差を強調するであろう。
結果は、データレートと感度のトレードオフを明確に示している。50 Mb/sでは、さらに高い-60.5 dBmの感度が達成された。100 Mb/sにおけるシステムの性能は、635 nm光に対するSQL（-70.1 dBm）から18.5 dB以内であると報告されている。
このような光子計数受信機の基本的な限界は、光子到着のポアソン統計から導かれる直接検出の標準量子限界（SQL）である。OOKの誤り確率は次式で与えられる：
$P_e = \frac{1}{2} \left[ P(0|1) + P(1|0) \right]$
ここで、$P(0|1)$は「1」が送信されたときに「0」と判定する確率（検出漏れ）、$P(1|0)$は「0」が送信されたときに「1」と判定する確率（誤警報、多くの場合暗計数による）である。SPADの場合、検出カウントレート$R_d$は、デッドタイム$\tau_d$により入射光子束$\Phi$に対して線形ではない：
$R_d = \frac{\eta \Phi}{1 + \eta \Phi \tau_d}$
ここで$\eta$は検出効率である。この非線形性とアフターパルスなどの関連効果が、NRZよりもシンプルなRZ-OOK方式が選択された主な理由であり、ビット間の時間的隔たりを明確にしてISIを低減する。
中核的洞察： Griffithsらは、実用的な革新の模範を示した。彼らは単独での記録的な感度追求ではなく、集積CMOSフォトニクスが直接的に低SWaPフォームファクタを可能にする全体的に最適化されたシステムを設計した。真の突破口は、単に-55.2 dBmを達成したことではなく、トランシーバ全体が家庭用LED電球よりも少ない電力を消費しながらその感度を達成したことにある。これは、研究室の好奇心から配備可能な資産への物語の転換をもたらす。
論理的流れと戦略的選択： その論理は完璧に防御的である。1) 問題： 高性能FSOはSWaP的に禁止的である。2) 解決仮説： 主要なフォトニック機能（マイクロLEDドライバー、カウンター付きSPADアレイ）のCMOS集積化が唯一の実行可能な道である。3) 検証： 可能な限り単純な変調（RZ-OOK）を使用して、まず集積ハードウェアの基本性能を証明し、SWaPの利点を分離する。これは、「Efficient Processing of Deep Neural Networks: A Tutorial and Survey」（Sze et al., Proceedings of the IEEE, 2017）など、現実世界での効率性のためにアルゴリズムとハードウェアを協調設計すべきだと主張する、先駆的なハードウェア認識型ML研究の哲学を反映している。この原理がここで鮮明に実証されている。
強みと欠点： 主な強みは、説得力のあるシステムレベルでの実証である。<5.5Wという数字は、UAVや衛星へのフィールド配備に対する強力な論拠である。しかし、本論文の主要な欠点は、データ密度に関する戦略的沈黙である。100 Mb/sはセンサーテレメトリには十分であるが、現代の通信にとっては取るに足らない。この概念実証には賢明であるが、単純なOOKの使用は、膨大なスペクトル効率を無駄にしている。彼らはエンジンが機能することを証明するために極めて効率的な自転車を構築したが、業界が必要としているのはトラックである。さらに、FSOのアキレス腱であるリンクの堅牢性（例：大気乱流、指向誤差に対する）の分析は欠如しており、フィールド対応システムにとっては重大な省略である。
実践的洞察： 1) 研究者向け： 次の即時のステップは、感度をさらに1dB向上させることではなく、この集積プラットフォームを高次変調（例：PPM、DPSK）に適用し、SWaPを比例的に増加させることなくビットレートを向上させることである。2) 投資家・インテグレーター向け： この技術は、低データレート、極端な感度、超低SWaPが収束するニッチで高価値な応用に熟している：深宇宙CubeSat間リンク、安全な軍事用バックパックユニット、電力制約環境でのIoTバックホールなどを考えよ。価値は個々のコンポーネントではなく、統合パッケージにある。3) クリティカルパス： コミュニティは現在、この優雅な実験室セットアップを強化すること—乱流緩和のための適応光学と堅牢な捕捉・追跡システムの追加—に焦点を当て、卓越したプロトタイプから製品への移行を図る必要がある。
フレームワーク：SWaP制約下のシステム性能トレードオフ分析
このような技術を評価するために、SWaP予算制約に対して2つの軸で性能をプロットする、シンプルかつ強力なフレームワークを提案する：
事例適用：
この可視化は、本研究の貢献が単一の絶対KPIで勝つことではなく、高効率・低SWaPの象限を支配し、全く新しい応用分野を開拓することにあることを即座に明らかにする。
実証された集積化の道筋は、いくつかの変革的な応用への道を開く：
主要な開発方向性：