Высокочувствительная оптическая связь в свободном пространстве с использованием аппаратного обеспечения с низкими показателями SWaP

Обзор

В данной работе представлен практический канал оптической связи в свободном пространстве (FSO), использующий высокоинтегрированное аппаратное обеспечение с низкими показателями габаритов, массы и мощности (SWaP). Система объединяет передатчик на основе нитрид-галлиевого (GaN) микросветодиода, управляемого КМОП-драйвером, с приёмником на основе КМОП-интегрированной матрицы лавинных фотодиодов, работающих в режиме счёта одиночных фотонов (SPAD). Используя простую схему модуляции с возвратом к нулю и амплитудной манипуляцией (RZ-OOK), канал обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбит/с при чувствительности приёмника -55,2 дБм (что соответствует ~7,5 детектируемым фотонам на бит) и потребляет менее 5,5 Вт общей мощности. Это представляет собой значительный шаг на пути к развёртываемым высокопроизводительным системам оптической связи для ограниченных сред.

1. Введение

Оптическая связь в свободном пространстве обладает потенциалом высокой пропускной способности, но часто полагается на громоздкое и энергоёмкое оборудование, такое как лазеры с внешними модуляторами и криогенные приёмники. Стремление к применению в малых спутниках (CubeSat), беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и портативных наземных терминалах требует смены парадигмы в сторону аппаратного обеспечения с низкими показателями SWaP. Данная статья отвечает на эту потребность, используя две ключевые технологии, совместимые с КМОП: высокоскоростные микросветодиоды для передачи и SPAD-матрицы для сверхчувствительного приёма. Интеграция обоих элементов в компактные системы с цифровым интерфейсом является ключевой инновацией, выводящей технологию за рамки лабораторных демонстраций к практической реализации.

2. Методы и архитектура системы

Система связи построена из двух интегрированных подсистем: передатчика и приёмника, спроектированных для минимальных показателей SWaP.

3. Экспериментальные результаты и характеристики

4. Технический анализ и ключевые выводы

Ключевой вывод: Эта статья не о рекордах чистой чувствительности; это мастер-класс по прагматическому системному инжинирингу. Настоящий прорыв заключается в доказательстве того, что чувствительность, близкую к квантовому пределу (-55,2 дБм при 100 Мбит/с), можно извлечь из предельно простого, изначально цифрового и чрезвычайно экономичного по мощности (<5,5 Вт) устройства. В то время как другие стремятся приблизиться на дБ к SQL с помощью жидкого гелия и сложной цифровой обработки сигналов, Гриффитс и др. задаются вопросом: "Какой толк от канала с -70 дБм, если для его перевозки нужен грузовик?" Их ответ заключается в интеграции микросветодиода и SPAD-матрицы непосредственно в КМОП, превращая лабораторный курьёз в развёртываемый актив для платформ с ограничениями по SWaP, таких как CubeSat и дроны.

Логическая последовательность: Аргументация элегантно линейна. 1) Высокочувствительная FSO существует, но полагается на громоздкое, энергоёмкое оборудование (постановка проблемы). 2) Две КМОП-совместимые технологии — микросветодиоды (быстрые, интегрируемые передатчики) и SPAD-матрицы (чувствительные к одиночным фотонам, интегрируемые приёмники) — определены как решения. 3) Интегрировать их в минималистичную систему, используя максимально простую модуляцию (RZ-OOK), чтобы избежать сложного, энергоёмкого кодирования. 4) Измерить: данные показывают одновременно высокую чувствительность и низкое энергопотребление. Логика доказывает, что интеграция + простота = практическая высокая производительность.

Сильные стороны и недостатки: Сильная сторона неоспорима: продемонстрированная системная эффективность SWaP, которую редко измеряют, не говоря уже о достижении, в академических статьях по фотонике. Выбор RZ-OOK является умным решением для смягчения проблем времени мёртвой зоны SPAD. Однако недостаток заключается в компромиссе, сделанном ради этой простоты. Скорость 100 Мбит/с является скромной, а разрыв в 18,5 дБ до SQL значителен. Как отмечено в основополагающих работах по SPAD-связи, таких как D. Chitnis and S. Collins, "A SPAD-based photon detecting system for optical communications," JLT 2014, продвинутая модуляция (например, PPM) и помехоустойчивое кодирование могли бы значительно сократить этот разрыв. Статья признаёт это, но оставляет для будущей работы, несколько ослабляя утверждение об оптимальности.

Практические выводы: Для индустрии это руководство к действию: прекратите чрезмерное усложнение. Начните с глубоко интегрированных фотонно-электронных ядер (КМОП — ваш друг) и добавляйте сложность (модуляцию, кодирование) только если простое решение не работает. Бюджет мощности <5,5 Вт — это число, которое должны превзойти менеджеры продуктов следующего поколения. Для исследователей путь ясен. Следующая статья должна сократить разрыв в чувствительности с использованием внутрикристального кодирования и обработки. Может ли маломощная КМОП-логика реализовать коды, близкие к пропускной способности канала, такие как LDPC, чтобы вернуть эти 18 дБ? Это вопрос на миллиард долларов для доминирования этой технологии в магистральных сетях 6G или спутниковых созвездиях, выходящих за рамки нишевых применений.

5. Структура анализа и пример применения

Структура: Матрица компромиссов проектирования систем с ограничениями SWaP

Данный случай иллюстрирует структурированный анализ компромиссов для встраиваемых фотонных систем. Структура расставляет приоритеты ограничений и делает осознанные жертвы.

1. Идентификация первичных ограничений: SWaP имеет первостепенное значение. Это сразу исключает мощные лазеры, внешние модуляторы, криогенику и громоздкую дискретную оптику.
2. Выбор технологий ("Что"): Сопоставьте требуемые функции (высокоскоростное излучение, детектирование одиночных фотонов) с наиболее эффективными по SWaP, интегрируемыми технологиями: микросветодиоды и КМОП SPAD.
3. Минимизация сложности ("Как"): Выберите самый простой алгоритм/модуляцию, удовлетворяющий основным требованиям к производительности. Здесь целью является максимальная чувствительность при целевой скорости передачи данных (100 Мбит/с), а не максимальная спектральная эффективность. Следовательно, сложная m-QAM отвергается в пользу простой RZ-OOK.
4. Определение точки интеграции: Определите границу, на которой специализированное аппаратное обеспечение должно взять на себя функции программного обеспечения для экономии энергии. Здесь счёт фотонов и базовое пороговое детектирование переносятся в специализированные схемы КМОП SPAD-матрицы.
5. Валидация метрик: Измеряйте полную систему по всем первичным ограничениям (Чувствительность: -55,2 дБм, Мощность: <5,5 Вт, Скорость: 100 Мбит/с), а не только оптимальную производительность отдельного компонента.

Применение к случаю: Авторы идеально применили эту структуру. Они пожертвовали спектральной эффективностью и предельной чувствительностью (приняв разрыв в 18,5 дБ до SQL), чтобы выиграть по первичным ограничениям мощности и интегрируемости. Противоположным неудачным подходом было бы взять высокочувствительный сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор (SNSPD) и пытаться миниатюризировать его криоохладитель — борьба с физикой. Успех данной статьи заключается в выборе битв, которые можно выиграть с помощью КМОП.

6. Будущие применения и направления развития

Продемонстрированная технология открывает двери для нескольких критически важных областей применения и указывает чёткие пути эволюции.

• Созвездия CubeSat и малых спутников: Идеальная среда с низкими SWaP. Такие каналы могут обеспечить высокоскоростные межспутниковые связи (ISL) для мегасозвездий, снижая зависимость от РЧ-связи с её ограничениями спектра. Такие компании, как SpaceX (Starlink) и Planet Labs, являются потенциальными конечными пользователями.
• Рои беспилотных летательных аппаратов (БПЛА): Защищённая высокоскоростная связь между дронами для скоординированных миссий без обнаруживаемых РЧ-излучений.
• Наземная связь "последней мили": При ликвидации последствий стихийных бедствий или в военных операциях — быстрое развёртывание высокоскоростных каналов связи между временными узлами.
• Направления будущего развития:
  1. Внутрикристальное кодирование и ЦОС: Интеграция продвинутого помехоустойчивого кодирования (например, LDPC, полярных кодов) и алгоритмов детектирования непосредственно в КМОП-приёмник для сокращения разрыва в чувствительности до SQL без существенного увеличения мощности или размера.
  2. Изменение рабочей длины волны: Переход от 635 нм к телекоммуникационным длинам волн (1550 нм) для лучшего прохождения через атмосферу и безопасности для глаз с использованием материалов, таких как SPAD на основе InGaAs/InP (хотя интеграция с КМОП является более сложной задачей).
  3. Интеграция управления лучом и слежения: Включение микрозлектромеханических систем (MEMS) зеркал или устройств управления лучом на основе жидких кристаллов в тот же корпус для обеспечения устойчивого наведения в динамических каналах FSO — критический шаг для мобильных платформ.
  4. Прототипирование сетей: Переход от точечных каналов связи к демонстрации небольших, самоорганизующихся сетей из таких узлов с низкими SWaP, включая протоколы и управление сетью.

7. Ссылки

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.