Pilih Bahasa

Komunikasi Optik Ruang Bebas Kepekaan Tinggi Menggunakan Perkakasan SWaP Rendah

Analisis pautan FSO padat menggunakan mikro-LED CMOS dan tatasusunan SPAD, mencapai 100 Mb/s pada kepekaan -55.2 dBm dengan kuasa kurang 5.5W.
smdled.org | PDF Size: 0.2 MB
Penilaian: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Penilaian Anda
Anda sudah menilai dokumen ini
Sampul Dokumen PDF - Komunikasi Optik Ruang Bebas Kepekaan Tinggi Menggunakan Perkakasan SWaP Rendah
Lihat Dokumen PDF Muat Turun PDF Terjemah PDF
Laman Utama » Dokumentasi » Komunikasi Optik Ruang Bebas Kepekaan Tinggi Menggunakan Perkakasan SWaP Rendah

Gambaran Keseluruhan

Kajian ini menunjukkan pautan komunikasi optik ruang bebas (FSO) praktikal yang memanfaatkan perkakasan bersepadu tinggi dengan Saiz, Berat dan Kuasa (SWaP) rendah. Sistem ini menggabungkan pemancar mikro-LED Gallium Nitride (GaN), dikawal oleh pemacu CMOS, dengan penerima berdasarkan tatasusunan CMOS-terintegrasi bagi Diod Avalan Foton Tunggal (SPAD). Menggunakan skim modulasi Mudah Kembali ke Sifar Kekunci Hidup-Mati (RZ-OOK), pautan ini mencapai kadar data 100 Mb/s dengan kepekaan penerima -55.2 dBm (bersamaan dengan ~7.5 foton dikesan per bit) sambil menggunakan kurang daripada 5.5 W jumlah kuasa. Ini mewakili langkah penting ke arah sistem komunikasi optik berprestasi tinggi yang boleh digunakan untuk persekitaran terhad.

100 Mb/s

Kadar Data yang Ditunjukkan

-55.2 dBm

Kepekaan Penerima @ 100 Mb/s

< 5.5 W

Jumlah Kuasa Sistem

7.5 foton/bit

Kecekapan Pengesanan

1. Pengenalan

Komunikasi optik ruang bebas menawarkan potensi lebar jalur tinggi tetapi sering bergantung pada peralatan besar dan banyak menggunakan kuasa seperti laser berpemacu modulator luaran dan penerima kriogenik. Dorongan untuk aplikasi dalam satelit kecil (CubeSat), kenderaan udara tanpa pemandu (UAV), dan terminal darat mudah alih memerlukan anjakan paradigma ke arah perkakasan SWaP Rendah. Kertas kerja ini menangani keperluan ini dengan meneroka dua teknologi serasi CMOS utama: mikro-LED lebar jalur tinggi untuk penghantaran dan tatasusunan SPAD untuk penerimaan ultra-peka. Pengintegrasian kedua-dua elemen ke dalam sistem padat dengan antara muka digital adalah inovasi teras, melangkaui demonstrasi makmal ke pelaksanaan praktikal.

2. Kaedah & Seni Bina Sistem

Sistem komunikasi dibina daripada dua subsistem bersepadu: pemancar dan penerima, kedua-duanya direka untuk SWaP minimum.

2.1 Pemancar: Mikro-LED Dikawal CMOS

Sumbernya ialah mikro-LED berasaskan GaN, diikat-bongkah ke cip kawalan CMOS. Integrasi ini membolehkan kawalan digital langsung bagi pancaran cahaya dengan ketepatan ruang dan masa yang tinggi, menghapuskan keperluan untuk Penukar Digital ke Analog (DAC) berasingan dan penjana bentuk gelombang sewenang-wenangnya. Mikro-LED menawarkan lebar jalur modulasi tinggi (berkeupayaan kadar Gb/s), menjadikannya sesuai untuk komunikasi berkelajuan tinggi.

2.2 Penerima: Tatasusunan SPAD

Inti penerima ialah tatasusunan CMOS-terfabrikasi bagi Diod Avalan Foton Tunggal. SPAD beroperasi dalam mod Geiger, menghasilkan denyut elektrik yang boleh dikesan apabila menyerap foton tunggal, diikuti oleh masa mati. Menyusun SPAD dalam tatasusunan dan menggabungkan outputnya mengurangkan batasan masa mati dan membolehkan julat dinamik tinggi. Integrasi CMOS membolehkan pemprosesan isyarat dalam cip yang ketara (contohnya, pemadaman, pengiraan), mengurangkan kerumitan bahagian belakang.

2.3 Skim Modulasi: RZ-OOK

Modulasi yang dipilih ialah Mudah Kembali ke Sifar Kekunci Hidup-Mati. Walaupun memerlukan lebih banyak lebar jalur berbanding Mudah Tidak Kembali ke Sifar (NRZ), RZ-OOK mengurangkan Gangguan Antara Simbol (ISI) dalam sistem berasaskan SPAD yang disebabkan oleh masa mati dan statistik ketibaan foton. Isyarat dinyahkod menggunakan pengesan ambang mudah. Proses pengesanan foton adalah Poisson. Kebarangkalian mengesan k foton dalam tempoh bit dengan kadar ketibaan purata $λ$ foton/bit diberikan oleh: $$P(k) = \frac{e^{-λ} λ^k}{k!}$$ Nisbah Ralat Bit (BER) pada asasnya dihadkan oleh statistik ini ke arah Had Kuantum Piawai (SQL).

3. Keputusan Eksperimen & Prestasi

3.1 Kepekaan & Kadar Data

Keputusan utama diringkaskan dalam metrik prestasi. Pautan menunjukkan dua titik operasi utama:

  • 50 Mb/s: Mencapai kepekaan -60.5 dBm.
  • 100 Mb/s: Mencapai kepekaan -55.2 dBm, bersamaan dengan kira-kira 7.5 foton dikesan per bit.
Kepekaan 100 Mb/s ini dilaporkan berada 18.5 dB dari Had Kuantum Piawai (SQL) -70.1 dBm untuk cahaya 635 nm, menunjukkan ruang untuk penambahbaikan lanjut melalui pengekodan dan algoritma pengesanan lanjutan.

3.2 Penggunaan Kuasa & Metrik SWaP

Pencapaian kritikal ialah jumlah penggunaan kuasa sistem kurang daripada 5.5 Watt untuk prototaip yang belum dioptimumkan. Kuasa rendah ini, digabungkan dengan kepadatan semula jadi CMOS dan peranti terikat flip-chip, mengesahkan premis SWaP rendah. Sistem ini tidak menggunakan komponen yang banyak menggunakan kuasa seperti penyejuk termo-elektrik (biasa dalam APD) atau sistem kriogenik (untuk pengesan superkonduktor).

3.3 Analisis Nisbah Ralat Bit

Keluk BER diukur sebagai fungsi kuasa optik yang diterima. Keluk menunjukkan cerun curam ciri penerima pengiraan foton. Kemerosotan prestasi pada kadar data yang lebih tinggi disebabkan oleh peningkatan kesan masa mati SPAD dan ISI. Penggunaan modulasi RZ memberikan kelebihan BER yang jelas berbanding NRZ dalam konteks ini, seperti yang diramalkan.

Penerangan Carta (Tersirat): Graf memplot BER (skala log) melawan Kuasa Optik Diterima (dBm). Dua keluk ditunjukkan untuk 50 Mb/s dan 100 Mb/s. Keluk 50 Mb/s mencapai BER 1e-3 pada kuasa yang lebih rendah (lebih peka) berbanding keluk 100 Mb/s. Kedua-dua keluk menunjukkan kawasan "air terjun" yang tajam. Garisan putus-putus mungkin menunjukkan had teori SQL.

4. Analisis Teknikal & Intipati Teras

Intipati Teras: Kertas kerja ini bukan tentang memecah rekod kepekaan tulen; ia adalah kelas induk dalam kejuruteraan sistem pragmatik. Kejayaan sebenar adalah membuktikan bahawa kepekaan hampir-had-kuantum (-55.2 dBm pada 100 Mb/s) boleh diekstrak daripada kotak yang sangat mudah, asli digital, dan sangat rendah kuasa (<5.5W). Walaupun yang lain mengejar dB lebih dekat kepada SQL dengan helium cecair dan DSP kompleks, Griffiths et al. bertanya: "Apa gunanya pautan -70 dBm jika ia memerlukan lori untuk membawanya?" Jawapan mereka mengintegrasikan mikro-LED dan tatasusunan SPAD terus ke atas CMOS, mengubah apa yang dahulunya rasa ingin tahu makmal menjadi aset yang boleh digunakan untuk platform terhad SWaP seperti CubeSat dan dron.

Aliran Logik: Hujahnya linear dengan elegan. 1) FSO kepekaan tinggi wujud tetapi bergantung pada perkakasan besar, kuasa tinggi (penyataan masalah). 2) Dua teknologi serasi CMOS—mikro-LED (pemancar pantas, boleh diintegrasikan) dan tatasusunan SPAD (peka foton tunggal, penerima boleh diintegrasikan)—dikenal pasti sebagai penyelesaian. 3) Integrasikannya ke dalam sistem minimum menggunakan modulasi termudah yang mungkin (RZ-OOK) untuk mengelakkan pengekodan kompleks yang banyak menggunakan kuasa. 4) Ukur: data menunjukkan kepekaan tinggi dan kuasa rendah serentak. Logik membuktikan integrasi + kesederhanaan = prestasi tinggi praktikal.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya tidak dapat dinafikan: kecekapan peringkat sistem SWaP yang ditunjukkan jarang diukur, apatah lagi dicapai, dalam kertas kerja fotonik akademik. Pilihan RZ-OOK adalah bijak untuk mengurangkan isu masa mati SPAD. Walau bagaimanapun, kelemahan adalah dalam pertukaran yang dibuat untuk kesederhanaan itu. Kadar 100 Mb/s adalah sederhana, dan jurang 18.5 dB kepada SQL adalah ketara. Seperti yang dinyatakan dalam kerja komunikasi SPAD seminal seperti D. Chitnis dan S. Collins, "A SPAD-based photon detecting system for optical communications," JLT 2014, modulasi lanjutan (contohnya, PPM) dan pembetulan ralat ke hadapan boleh menutup sebahagian besar jurang itu. Kertas kerja ini mengakuinya tetapi meninggalkannya untuk kerja masa depan, sedikit melemahkan tuntutan keoptimumannya.

Intipati Boleh Tindak: Untuk industri, ini adalah pelan: berhenti mereka bentuk berlebihan. Mulakan dengan teras fotonik-elektronik yang sangat bersepadu (CMOS adalah kawan anda) dan hanya tambah kerumitan (modulasi, pengekodan) jika penyelesaian mudah gagal. Belanjawan kuasa <5.5W adalah nombor yang perlu dikalahkan untuk pengurus produk generasi seterusnya. Untuk penyelidik, laluannya jelas. Kertas kerja seterusnya mesti merapatkan jurang kepekaan menggunakan pengekodan dan pemprosesan atas cip. Bolehkah logik CMOS kuasa rendah melaksanakan kod hampir-kapasiti seperti LDPC untuk mendapatkan semula 18 dB itu? Itulah soalan bernilai bilion dolar untuk menjadikan teknologi ini dominan dalam sambungan belakang 6G atau buruj satelit, melangkaui aplikasi khusus.

5. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kerangka: Matriks Pertukaran Reka Bentuk Sistem Terhad SWaP

Kes ini menggambarkan analisis pertukaran berstruktur untuk sistem fotonik terbenam. Kerangka ini mengutamakan kekangan dan membuat pengorbanan yang disengajakan.

  1. Pengenalpastian Kekangan Utama: SWaP adalah paling penting. Ini serta-merta mengetepikan laser kuasa tinggi, modulator luaran, kriogenik, dan optik diskret besar.
  2. Pemilihan Teknologi ("Apa"): Petakan fungsi yang diperlukan (pancaran kelajuan tinggi, pengesanan foton tunggal) kepada teknologi yang paling cekap SWaP dan boleh diintegrasikan: Mikro-LED dan SPAD CMOS.
  3. Peminimuman Kerumitan ("Bagaimana"): Pilih algoritma/modulasi termudah yang memenuhi spesifikasi prestasi teras. Di sini, kepekaan maksimum pada kadar data sasaran (100 Mb/s) adalah matlamat, bukan kecekapan spektrum maksimum. Oleh itu, m-QAM kompleks ditolak memihak kepada RZ-OOK mudah.
  4. Definisi Titik Integrasi: Tentukan sempadan di mana perkakasan tersuai mesti mengambil alih daripada perisian untuk menjimatkan kuasa. Di sini, pengiraan foton dan pengesanan ambang asas didorong ke dalam litar khusus tatasusunan SPAD CMOS.
  5. Pengesahan Metrik: Ukur sistem penuh terhadap semua kekangan utama (Kepekaan: -55.2 dBm, Kuasa: <5.5W, Kadar Data: 100 Mb/s), bukan hanya prestasi optimum sub-komponen.

Aplikasi Kes: Penulis menggunakan kerangka ini dengan sempurna. Mereka mengorbankan kecekapan spektrum dan kepekaan muktamad (menerima jurang 18.5 dB kepada SQL) untuk menang pada kekangan utama kuasa dan kebolehintegrasian. Pendekatan gagal yang bertentangan ialah mengambil pengesan foton tunggal nanowire superkonduktor (SNSPD) berkepekaan tinggi dan cuba mengecilkan penyejuk krionya—perlawanan menentang fizik. Kejayaan kertas kerja ini terletak pada memilih pertempuran yang boleh dimenangi dengan CMOS.

6. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Pembangunan

Teknologi yang ditunjukkan membuka pintu kepada beberapa domain aplikasi kritikal dan mencadangkan laluan yang jelas untuk evolusi.

  • Buruj CubeSat & Satelit Kecil: Persekitaran SWaP rendah muktamad. Pautan sedemikian boleh membolehkan pautan antara satelit (ISL) berkelajuan tinggi untuk buruj mega, mengurangkan pergantungan kepada RF dengan batasan spektrumnya. Syarikat seperti SpaceX (Starlink) dan Planet Labs adalah pengguna akhir yang berpotensi.
  • Kawanan Kenderaan Udara Tanpa Pemandu (UAV): Komunikasi selamat, lebar jalur tinggi antara dron untuk misi terkoordinasi tanpa pancaran RF yang boleh dikesan.
  • Komunikasi Darat Batu Terakhir: Dalam pemulihan bencana atau operasi ketenteraan, penyebaran pantas pautan lebar jalur tinggi antara nod sementara.
  • Hala Tuju Pembangunan Masa Depan:
    1. Pengekodan & DSP Atas Cip: Mengintegrasikan pembetulan ralat ke hadapan lanjutan (contohnya, LDPC, kod Polar) dan algoritma pengesanan terus ke dalam penerima CMOS untuk menutup jurang kepekaan kepada SQL tanpa meningkatkan kuasa atau saiz dengan ketara.
    2. Penskalaan Panjang Gelombang: Beralih dari 635 nm ke panjang gelombang telekom (1550 nm) untuk penghantaran atmosfera yang lebih baik dan keselamatan mata, menggunakan bahan seperti SPAD InGaAs/InP (walaupun integrasi dengan CMOS lebih mencabar).
    3. Integrasi Pengemudian & Penjejakan Alur: Menggabungkan cermin Sistem Mikro-Elektro-Mekanikal (MEMS) atau pengemudi alur berasaskan hablur cecair dalam pakej yang sama untuk penjajaran teguh dalam pautan FSO dinamik, langkah kritikal untuk platform mudah alih.
    4. Prototaip Rangkaian: Beralih dari pautan titik-ke-titik kepada menunjukkan rangkaian kecil, ad-hoc nod SWaP rendah ini, menangani protokol dan pengurusan rangkaian.

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