Mawasiliano ya Mwanga ya Anga ya Upeo wa Nyeti Kwa Kifaa cha Chini cha SWaP

1. Utangulizi na Muhtasari

Karatasi hii inawasilisha maendeleo makubwa katika mawasiliano ya mwanga ya anga (FSO) kwa kuonyesha muunganisho wa unyeti wa juu uliojengwa kabisa kutoka kwa vifaa mwembamba vilivyounganishwa. Changamoto kuu inayoshughulikiwa ni kutegemea kwa mifumo ya kitamaduni ya FSO yenye utendaji wa juu kwenye vifaa vikubwa, vinavyotumia nguvu nyingi kama vile jenereta za mawimbi ya kiholela, modulators za nje, na vipokezi vya baridi kali, ambavyo havifai kwa matumizi yenye vikwazo vikali vya Ukubwa, Uzito, na Nguvu (SWaP).

Suluhisho la waandishi linatumia teknolojia mbili muhimu zinazoweza kuingiliana na CMOS: micro-LED ya Gallium Nitride (GaN) kama kisambazaji na safu ya Diodi za Mwamba wa Fotoni Moja (SPAD) kama kipokezi. Njia hii iliyounganishwa inaondoa hitaji la vipengele tofauti, vya nguvu ya juu, na kufungua njia kwa mifumo ya mawasiliano yenye ufanisi wa nishati na inayoweza kubebeka.

2. Vifaa Vikuu vya Teknolojia

Mafanikio haya yanategemea matumizi ya kimkakati ya teknolojia mbili za semiconductor ambazo zimekomaa kwa uzalishaji wa wingi lakini ni mpya katika mchanganyiko huu maalum kwa FSO.

3. Utekelezaji wa Mfumo na Mbinu

4. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

Mfumo ulijaribiwa kwa viwango viwili vya data. Matokeo muhimu yamefupishwa hapa chini:

• Kwa 50 Mb/s: Unyeti wa -60.5 dBm ulifikiwa.
• Kwa 100 Mb/s: Unyeti wa -55.2 dBm ulifikiwa, unaolingana na takriban 7.5 fotoni zilizogunduliwa kwa biti.

Maelezo ya Chati (Yanayodokezwa kutoka kwa data): Grafu ya BER dhidi ya Nguvu ya Mwanga Iliyopokelewa ingeonyesha mikunjo miwili kwa 50 Mb/s na 100 Mb/s. Mikunjo yote miwili ingeonyesha umbo la "maporomoko ya maji" lenye sifa za vipokezi vinavyohusu fotoni. Mkunjio wa 50 Mb/s ungehamishwa kushoto (unyeti zaidi) ikilinganishwa na mkunjio wa 100 Mb/s. Sehemu ya -55.2 dBm kwa 100 Mb/s ingelingana na BER labda chini ya $10^{-3}$ (kizingiti cha kawaida cha mawasiliano). Utendaji uko takriban 18.5 dB juu ya Kikomo cha Kawaida cha Quantum (-70.1 dBm kwa 100 Mb/s kwa 635 nm), ikionyesha nafasi ya uboreshaji kupitia usimbaji wa hali ya juu na usindikaji wa ishara.

Matumizi ya jumla ya nguvu kwa muunganisho mzima usio bora yalipimwa kuwa chini ya 5.5 W, kinyume kabisa na mamia ya wati zinazotumiwa na usanidi wa benchi ya laser-na-modulator.

5. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo wa Hisabati

Utendaji unatawaliwa kimsingi na takwimu za fotoni. Kwa kipokezi kamili kinachohusu fotoni kinachotumia OOK, uwezekano wa hitilafu (BER) unahusiana na wastani wa idadi ya fotoni kwa biti ($\mu$) kwa alama ya '1'. Kwa kizingiti kilichowekwa kwenye $n_{th}$ fotoni:

$P_e \approx \frac{1}{2} \left[ \sum_{n=0}^{n_{th}} \frac{\mu^n e^{-\mu}}{n!} + \sum_{n=n_{th}+1}^{\infty} \frac{(\mu/\kappa)^n e^{-\mu/\kappa}}{n!} \right]$

ambapo $\kappa$ ni uwiano wa kutoweka (nguvu katika '0' / nguvu katika '1'). Katika mfumo bora ($\kappa=0$, hakuna kelele), kikomo cha kinadharia (SQL) ni takriban fotoni 10 kwa biti kwa BER ya $10^{-9}$. Fotoni ~7.5/biti zilizofikiwa kwa lengo la BER la chini zinaonyesha ufanisi wa juu. Kupotoka kutoka kwa SQL kunatokana na kutokuwakamilika kwa SPAD: wakati wa kufa, baada ya kusukumwa, na kiwango cha kuhesabu giza, ambazo huleta kelele na kupunguza hesabu bora ya fotoni.

Unyeti katika dBm unahesabiwa kutoka kwa hesabu ya fotoni:
$P_{rec} = \frac{N_{ph} \cdot h \cdot \nu \cdot R_b}{\eta}$
ambapo $N_{ph}$ ni fotoni/biti, $h$ ni mara kwa mara ya Planck, $\nu$ ni mzunguko wa mwanga, $R_b$ ni kiwango cha biti, na $\eta$ ni ufanisi wa quantum wa kigunduzi. Kubadilisha $P_{rec}$ kuwa dBm ($10\log_{10}(P_{rec}/1\text{mW})$) hutoa takwimu za unyeti zilizoripotiwa.

6. Mtazamo wa Mchambuzi: Uelewa Mkuu na Ukosoaji

Uelewa Mkuu: Karatasi hii sio tu juu ya unyeti bora; ni mwongozo wa ubadilishaji wa vitendo wa FSO yenye utendaji wa juu. Kwa kubadilisha kila kipengele kikubwa, cha analogi cha benchi na kipengele kinacholingana kilichounganishwa na CMOS na kiolesura cha kidijitali, Griffiths na wenzake wameweka kwa ufanisi njia kutoka kwa udadisi wa maabara hadi bidhaa inayoweza kutumiwa. Kichwa halisi ni bajeti ya nguvu chini ya 5.5W—hii inafanya iwe muhimu kwa satelaiti, UAV, na vitengo vya rununu ambapo nishati ndiyo sarafu ya mwisho.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki hiyo ni kamili na inaongozwa na bidhaa: 1) Tambua SWaP kama kikwazo muhimu (sio utendaji wa awali). 2) Chagua teknolojia mbili za vifaa zinazoweza kuingiliana na CMOS (micro-LED na SPAD) ambazo kimsingi hutoa utendaji unaohitajika (kasi na unyeti). 3) Tumia modulation rahisi iwezekanavyo (RZ-OOK) ili kupunguza mzigo wa usindikaji na kuangazia uwezo wa asili wa vifaa. 4) Onyesha kwamba mkusanyiko huu uliounganishwa hutoa vipimo vinavyovutia (100Mb/s kwa -55dBm). Ni ushindi wa uhandisi wa "weka rahisi, mjinga".

Nguvu na Kasoro:
Nguvu: Uunganishaji pamoja wa kisambazaji na kipokezi katika majukwaa yanayoweza kuingiliana na CMOS ni wa kuona na una athari kubwa za kuongeza ukubwa na kupunguza gharama. Mwelekeo kwenye jumla ya nguvu ya mfumo ni dozi ya ukweli inayokaribishwa ambayo mara nyingi haipo katika utafiti safi. Kuchagua RZ-OOK kupambana na wakati wa kufa wa SPAD ni uboreshaji wa kimfumo wenye akili na wa vitendo.
Kasoro: Tembo katika chumba ni ukosefu wa majaribio ya uthabiti wa kituo. Karatasi inaonyesha muunganisho wa maabara, uliopunguzwa. FSO ya ulimwengu wa kweli lazima ipambane na mvurugiko wa anga, mwangaza, na makosa ya kuelekeza. Kama utafiti kama ule wa Maabara ya Lincoln ya MIT juu ya mawasiliano ya kina ya anga ya mwanga unavyoonyesha, mvurugiko unaweza kusababisha kupungua kwa zaidi ya 20 dB—je, muunganisho huu ulio na upungufu wa fotoni ungeokoka? Zaidi ya hayo, matumizi ya kichunguzi rahisi cha kizingiti huacha utendaji mkubwa mezani. Uwanja umesogea kuelekea algoriti za hali ya juu; kama inavyoonyeshwa katika kazi kama ile ya Khalighi na wenzake (IEEE Transactions on Communications, 2014), kutumia utambuzi wa mlolongo wa uwezekano wa juu kabisa au usimbaji wa kusahihisha makosa uliotengenezwa kwa takwimu za SPAD unaweza kufunga pengo kubwa la 18.5 dB hadi SQL.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa tasnia, hitimisho ni kuwekeza katika ufunga wa mfumo na algoriti za udhibiti kwa chipu hizi. Fizikia ya kifaa kikuu imethibitishwa. Hatua inayofuata ni kuunganisha micro-optics kwa umbo la boriti/upatikanaji na kuunda firmware thabiti ya DSP ambayo inaweza kushughulikia athari za kituo cha kweli na kutumia takwimu za SPAD. Kwa watafiti, mwongozo ni wazi: 1) Unganisha usahihishaji wa makosa ya mbele (kama vile msimbo wa LDPC) ili kukaribia SQL. 2) Jaribu mfumo juu ya njia ya kweli, yenye mvurugiko wa anga. 3) Chunguza uwingilishaji wa urefu wa mawimbi kwa kutumia safu za micro-LED ili kuongeza viwango vya data bila kuongeza upana wa bendi. Kazi hii hutoa vifaa vya msingi; sasa tunahitaji kujenga safu ya akili juu yake.

7. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mfumo: Matriki ya Ubunifu wa Mfumo Yenye Vikwazo vya SWaP
Karatasi hii hutoa kesi kamili ya kusoma kwa kutathmini teknolojia dhidi ya vikwazo vya pande nyingi. Mfumo muhimu wa uchambuzi ni matriki ya alama zilizopimwa kwenye vekta muhimu:

Matumizi ya Kesi: Fikiria muuzaji wa CubeSat anayehitaji muunganisho kati ya satelaiti. Kwa kutumia mfumo huu, alama za juu za SWaP na Uunganishaji za njia ya micro-LED/SPAD hufanya iwe mgombea wa kuongoza mara moja, licha ya TRL yake kuwa chini kidogo kuliko RF. Uchambuzi huu unalazimisha mabadiliko kutoka kwa uboreshaji safi wa utendaji hadi utendaji-kwa-wati-kwa-sentimita-za-upeo—kipimo cha kweli kwa mifumo ya kisasa yenye vikwazo.

8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

Matokeo ya njia hii iliyounganishwa, ya chini ya SWaP ni makubwa:

• Makundi ya Satelaiti (CubeSats): Kuwezesha viunganisho vya msalaba vya upana wa bendi wa juu, salama kati ya satelaiti ndogo bila kumaliza nguvu ndogo ndani ya chombo.
• Makundi ya Vyombo vya Anga visivyo na Rubani (UAV): Kutoa mawasiliano ya msingi ya kiwango cha data cha juu, chenye ucheleweshaji mdogo kwa shughuli za ndege zilizoratibiwa.
• Vifaa vya Kuvaa na vya Kibiolojia: Viunganisho vya data salama sana, vya kasi ya juu kwa vichunguzi vya picha za matibabu au miwani ya ukweli ulioongezwa ndani ya chumba.
• Mawasiliano ya Chini ya Maji: Micro-LED za bluu/kijani zilizounganishwa na SPAD zinaweza kupenya maji bora kuliko RF, na kuwezesha mawasiliano mwembamba ya chini ya maji.
• Usambazaji wa Ufunguo wa Quantum (QKD): Safu za SPAD tayari hutumiwa katika vipokezi vya QKD. Chanzo cha micro-LED kilichounganishwa kinaweza kuunda terminal kamili, ndogo ya QKD kwa matumizi ya uwanjani.

Mwelekeo Muhimu wa Utafiti:

1. Modulation ya Hali ya Juu na Usimbaji: Utekelezaji wa modulation ya nafasi ya msukumo (PPM) au kuchanganya OOK na msimbo wenye nguvu wa FEC kama LDPC ili kufunga pengo hadi SQL.
2. Kupima Urefu wa Mawimbi: Kuendeleza micro-LED na SPAD zilizoboreshwa kwa urefu wa mawimbi ya mawasiliano (k.m., 1550 nm) kwa usambazaji bora wa anga na uwezo wa kuingiliana na miundombinu ya nyuzinyuzi.
3. Unganishaji wa System-on-Chip (SoC): Lengo la mwisho ni chipu moja ya CMOS iliyo na mzunguko wa kiendeshi, safu ya micro-LED, safu ya SPAD, na mantiki yote ya usindikaji wa ishara ya kidijitali.
4. Kuelekeza Boriti na Kufuatilia: Kuunganisha mifumo ya micro-electro-mechanical (MEMS) au vielekezi vya boriti vinavyotegemea kioevu-kioo na kisambazaji-kipokezi ili kudumisha usawa katika mazingira ya mienendo.

9. Marejeo

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. Boroson, D. M. (2014). The NASA deep space optical communications project. Proceedings of SPIE, 8971, 89710S. (Kazi ya Maabara ya Lincoln ya MIT juu ya mvurugiko).
4. Chitnis, D., & Collins, S. (2017). A SPAD-based photon detecting system for optical communications. Journal of Lightwave Technology, 35(17), 3778-3786.
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. IEEE Standard for Wireless Optical Communications. (Muktadha wa viwango vinavyohusika).