Komunikasi Optik Ruang Bebas Kepekaan Tinggi Menggunakan Perkakasan SWaP Rendah

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Kajian ini menunjukkan kemajuan ketara dalam sistem komunikasi Optik Ruang Bebas (FSO) dengan menangani cabaran kritikal Saiz, Berat dan Kuasa (SWaP). Demonstrasi FSO berkepekaan tinggi atau berkelajuan data tinggi tradisional selalunya bergantung pada peralatan besar dan boros kuasa seperti penjana bentuk gelombang sewenang-wenangnya, modulator luaran, atau penerima kriogenik. Kertas kerja ini membentangkan penyelesaian bersepadu padat menggunakan mikro-Diod Pemancar Cahaya (mikro-LED) Gallium Nitrida (GaN) yang dikawal CMOS sebagai pemancar dan tatasusunan Diod Avalancha Foton Tunggal (SPAD) bersepadu CMOS sebagai penerima. Sistem ini mencapai kadar data 100 Mb/s dengan kepekaan penerima yang luar biasa iaitu -55.2 dBm (bersamaan dengan ~7.5 foton dikesan per bit) sambil menggunakan kurang daripada 5.5 W jumlah kuasa, mengesahkan kebolehlaksanaan pautan optik berprestasi tinggi di bawah kekangan SWaP yang ketat.

2. Teknologi Teras

Prestasi sistem ini bergantung pada dua teknologi fotonik bersepadu utama.

3. Pelaksanaan Sistem & Kaedah

4. Keputusan Eksperimen & Prestasi

Penerangan Carta: Plot BER lawan Kuasa Optik Diterima biasanya akan menunjukkan dua lengkung, satu untuk 50 Mb/s dan satu untuk 100 Mb/s. Lengkung 50 Mb/s akan mencapai sasaran BER (cth., 1e-3) pada aras kuasa lebih rendah (lebih kurang -60.5 dBm) berbanding lengkung 100 Mb/s (lebih kurang -55.2 dBm), menunjukkan pertukaran antara kadar data dan kepekaan. Plot itu akan menyerlahkan jurang prestasi kepada Had Kuantum Piawai (SQL).

Keputusan jelas menunjukkan pertukaran antara kadar data dan kepekaan. Pada 50 Mb/s, kepekaan lebih tinggi iaitu -60.5 dBm dicapai. Prestasi sistem, pada 100 Mb/s, dilaporkan berada dalam 18.5 dB daripada SQL untuk cahaya 635 nm, iaitu -70.1 dBm.

5. Analisis Teknikal & Kerangka Matematik

Had asas untuk penerima pengira foton sedemikian ialah Had Kuantum Piawai (SQL) untuk pengesanan langsung, terbitan daripada statistik Poisson ketibaan foton. Kebarangkalian ralat untuk OOK diberikan oleh:

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

Di mana $P(0|1)$ ialah kebarangkalian memutuskan "0" apabila "1" dihantar (pengesanan terlepas), dan $P(1|0)$ ialah kebarangkalian memutuskan "1" apabila "0" dihantar (penggera palsu, selalunya daripada kiraan gelap). Untuk SPAD, kadar kiraan dikesan $R_d$ tidak linear dengan fluks foton tuju $\Phi$ disebabkan masa mati $\tau_d$:

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

di mana $\eta$ ialah kecekapan pengesanan. Ketaklinearan ini dan kesan berkaitan seperti denyutan susulan adalah sebab utama mengapa skim RZ-OOK mudah dipilih berbanding NRZ, kerana ia memberikan pemisahan temporal yang lebih jelas antara bit untuk mengurangkan ISI.

6. Perspektif Penganalisis: Inti Pati & Kritikan

Inti Pati: Griffiths et al. telah melaksanakan kelas induk dalam inovasi pragmatik. Mereka tidak mengejar kepekaan rekod secara terpencil tetapi merekayasa sistem yang dioptimumkan secara holistik di mana fotonik CMOS bersepadu secara langsung membolehkan faktor bentuk SWaP rendah. Kejayaan sebenar bukan sekadar -55.2 dBm; ia mencapai kepekaan itu sementara keseluruhan transceiver menggunakan kuasa kurang daripada mentol LED isi rumah. Ini mengalihkan naratif daripada rasa ingin tahu makmal kepada aset yang boleh digunakan.

Aliran Logik & Pilihan Strategik: Logiknya sangat defensif. 1) Masalah: FSO berprestasi tinggi adalah terhalang SWaP. 2) Hipotesis Penyelesaian: Integrasi CMOS fungsi fotonik utama (pemacu mikro-LED, tatasusunan SPAD dengan kaunter) adalah satu-satunya laluan yang boleh dilaksanakan. 3) Pengesahan: Gunakan modulasi paling mudah (RZ-OOK) untuk membuktikan keupayaan asas perkakasan bersepadu terlebih dahulu, mengasingkan manfaat SWaP. Ini mencerminkan falsafah dalam penyelidikan ML sedar perkakasan seminal, seperti kerja mengenai "Efficient Processing of Deep Neural Networks: A Tutorial and Survey" (Sze et al., Proceedings of the IEEE, 2017), yang berhujah bahawa algoritma dan perkakasan mesti direka bersama untuk kecekapan dunia sebenar—prinsip yang ditunjukkan dengan jelas di sini.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan utama ialah demonstrasi peringkat sistem yang menarik. Angka <5.5W adalah hujah kuat untuk penggunaan lapangan dalam UAV atau satelit. Walau bagaimanapun, kelemahan utama kertas kerja ini ialah kesenyapan strategiknya mengenai ketumpatan data. 100 Mb/s mencukupi untuk telemetri sensor tetapi remeh untuk komunikasi moden. Penggunaan OOK mudah, walaupun bijak untuk bukti konsep ini, meninggalkan kecekapan spektrum yang besar. Mereka telah membina basikal yang sangat cekap untuk membuktikan enjin berfungsi, sementara industri memerlukan lori. Tambahan pula, analisis ketahanan pautan (cth., kepada pergolakan atmosfera, ralat penunjukan)—tumit Achilles FSO—tidak hadir, satu peninggalan kritikal untuk sebarang sistem siap lapangan.

Wawasan Boleh Tindak: 1) Untuk Penyelidik: Langkah seterusnya segera bukan menolak kepekaan satu dB lagi, tetapi menggunakan platform bersepadu ini untuk modulasi tertib lebih tinggi (cth., PPM, DPSK) untuk meningkatkan kadar bit tanpa meningkatkan SWaP secara berkadar. 2) Untuk Pelabur & Pengintegrasi: Teknologi ini matang untuk aplikasi niche bernilai tinggi di mana kadar data rendah, kepekaan melampau, dan SWaP ultra-rendah bertemu: fikirkan pautan silang CubeSat angkasa le dalam, unit beg galas tentera selamat, atau backhaul IoT dalam persekitaran terhad kuasa. Nilai adalah dalam pakej integrasi, bukan komponen individu. 3) Laluan Kritikal: Komuniti kini mesti fokus pada mengeraskan persediaan makmal elegan ini—menambah optik penyesuai untuk mitigasi pergolakan dan sistem pemerolehan/penjejakan teguh—untuk beralih daripada prototaip cemerlang kepada produk.

7. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kerangka: Analisis Pertukaran Prestasi Sistem Terkekang SWaP

Untuk menilai teknologi seperti ini, kami mencadangkan kerangka mudah tetapi berkuasa yang memplot prestasi pada dua paksi terhadap kekangan belanjawan SWaP:

1. Paksi Y1: Penunjuk Prestasi Utama (KPI) – cth., Kadar Data (Mb/s), Kepekaan (dBm), atau Jarak Pautan (km).
2. Paksi Y2: Kecekapan Sistem – cth., KPI per Watt (Mb/s/W) atau KPI per unit isipadu.
3. Saiz Buih Kekangan: Jumlah Belanjawan SWaP – cth., Kuasa (W), Isipadu (cm³).

Aplikasi Kes:

• Karya Ini (Griffiths et al.): Akan menduduki kedudukan dengan Kadar Data mutlak sederhana (~100 Mb/s) tetapi Kecekapan sangat tinggi (~18 Mb/s/W) dalam buih SWaP sangat kecil (<5.5W, bentuk padat).
• FSO Kepekaan Tinggi Tradisional (cth., menggunakan pengesan kriogenik): Mungkin menunjukkan Kepekaan mutlak lebih tinggi (cth., -65 dBm) tetapi Kecekapan sangat rendah (Mb/s/W kecil) dan buih SWaP besar.
• FSO Kadar Tinggi Tradisional (cth., menggunakan EDFA/laser besar): Akan menunjukkan Kadar Data mutlak tinggi (cth., 10 Gb/s) tetapi Kecekapan sederhana-ke-lemah dan buih SWaP besar.

Visualisasi ini serta-merta mendedahkan bahawa sumbangan karya ini bukan untuk menang pada mana-mana KPI mutlak tunggal, tetapi mendominasi kuadran kecekapan tinggi, SWaP rendah, membuka ruang aplikasi baru sepenuhnya.

8. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Pembangunan

Laluan integrasi yang ditunjukkan membuka jalan untuk beberapa aplikasi transformatif:

• Rangkaian Nano/Mikro-Satelit (CubeSats): Pautan antara satelit (ISL) ultra-padat, kuasa rendah untuk penyelarasan kawanan dan geganti data di angkasa, di mana SWaP adalah utama.
• Rangkaian Kenderaan Udara Tanpa Pemandu (UAV): Pautan data udara-ke-udara dan udara-ke-tanah selamat, lebar jalur tinggi untuk pengawasan dan geganti komunikasi.
• Komunikasi Taktikal Mudah Alih & Selamat: Sistem beg galas atau dipasang kenderaan untuk komunikasi selamat luar garis pandang kebal terhadap penyadapan/penyekatan RF.
• Backhaul IoT Penuaian Tenaga: Menghubungkan rangkaian sensor terpencil di mana ketersediaan kuasa adalah minimum.

Hala Tuju Pembangunan Utama:

1. Kemajuan Modulasi: Berpindah daripada OOK kepada skim lebih cekap spektrum atau dioptimumkan kepekaan seperti Modulasi Kedudukan Denyut (PPM) atau kekunci anjakan fasa pembezaan (DPSK) memanfaatkan platform CMOS yang sama.
2. Penskalaan Panjang Gelombang: Membangunkan mikro-LED dan SPAD pada panjang gelombang telekomunikasi (cth., 1550 nm) untuk penghantaran atmosfera lebih baik dan keselamatan mata.
3. Ko-Integrasi & Sistem-atas-Cip (SoC): Integrasi lanjut elektronik pemacu, pemprosesan isyarat digital (DSP untuk pembetulan ralat ke hadapan, pemulihan jam), dan logik kawalan ke atas satu cip CMOS bersama peranti fotonik.
4. Integrasi Pengemudian Pancaran: Menggabungkan sistem mikro-elektromekanikal (MEMS) atau pengemudian pancaran berasaskan kristal cecair terus ke dalam pakej untuk penjajaran dan penjejakan teguh.

9. Rujukan

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. (Dirujuk untuk falsafah reka bentuk bersama peringkat sistem).
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. (Contoh integrasi CMOS-SPAD maju).
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. (Teori asas yang mendasari semua had komunikasi).