Dil Seçin

Düşük SWaP Donanım Kullanarak Yüksek Hassasiyetli Serbest Uzay Optik Haberleşmesi

CMOS mikro-LED'ler ve SPAD dizileri kullanan kompakt bir FSO bağlantısının analizi; -55.2 dBm hassasiyette 100 Mb/s hız ve 5.5W altı güç tüketimi ile.
smdled.org | PDF Size: 0.2 MB
Değerlendirme: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Değerlendirmeniz
Bu belgeyi zaten değerlendirdiniz
PDF Belge Kapağı - Düşük SWaP Donanım Kullanarak Yüksek Hassasiyetli Serbest Uzay Optik Haberleşmesi
PDF Belgesini Görüntüle PDF İndir PDF Çevir
Ana Sayfa » Dokümantasyon » Düşük SWaP Donanım Kullanarak Yüksek Hassasiyetli Serbest Uzay Optik Haberleşmesi

Genel Bakış

Bu çalışma, yüksek derecede entegre, düşük Boyut, Ağırlık ve Güç (SWaP) donanımından yararlanan pratik bir serbest uzay optik (FSO) haberleşme bağlantısını göstermektedir. Sistem, bir CMOS sürücü tarafından kontrol edilen Galyum Nitrür (GaN) mikro-LED verici ile CMOS entegre Tek Fotonlu Çığ Diyotu (SPAD) dizisi tabanlı bir alıcıyı birleştirmektedir. Basit bir Sıfıra Dönüşlü Aç-Kapa Anahtarlama (RZ-OOK) modülasyon şeması kullanılarak, bağlantı, toplamda 5.5 W'tan daha az güç tüketirken, -55.2 dBm alıcı hassasiyeti (bit başına ~7.5 tespit edilen foton) ile 100 Mb/s veri hızına ulaşmaktadır. Bu, kısıtlı ortamlar için dağıtılabilir, yüksek performanslı optik haberleşme sistemlerine doğru önemli bir adımı temsil etmektedir.

100 Mb/s

Gösterilen Veri Hızı

-55.2 dBm

Alıcı Hassasiyeti @ 100 Mb/s

< 5.5 W

Toplam Sistem Gücü

7.5 foton/bit

Tespit Verimliliği

1. Giriş

Serbest uzay optik haberleşme, yüksek bant genişliği potansiyeli sunar ancak genellikle harici modülatör sürücülü lazerler ve kriyojenik alıcılar gibi hantal ve güç tüketimi yüksek ekipmanlara dayanır. Küçük uydular (CubeSat'lar), insansız hava araçları (İHA'lar) ve taşınabilir yer terminallerindeki uygulamalar için itici güç, Düşük-SWaP donanımına doğru bir paradigma değişimini gerektirmektedir. Bu makale, iki kilit CMOS uyumlu teknolojiyi kullanarak bu ihtiyacı ele almaktadır: iletim için yüksek bant genişlikli mikro-LED'ler ve ultra hassas alım için SPAD dizileri. Her iki unsurun da kompakt, dijital arayüzlü sistemlere entegrasyonu, laboratuvar tezgahı gösterimlerinin ötesine geçerek pratik uygulamalara yönelen temel yeniliktir.

2. Yöntemler & Sistem Mimarisi

Haberleşme sistemi, her ikisi de minimum SWaP için tasarlanmış iki entegre alt sistemden oluşur: bir verici ve bir alıcı.

2.1 Verici: CMOS Kontrollü Mikro-LED

Kaynak, bir CMOS kontrol çipine bump-bonding ile bağlanmış GaN tabanlı bir mikro-LED'dir. Bu entegrasyon, ayrı Sayısal-Analog Dönüştürücülere (DAC) ve keyfi dalga formu üreteçlerine ihtiyaç duymadan, ışık yayılımının yüksek uzaysal ve zamansal hassasiyetle doğrudan dijital kontrolüne olanak tanır. Mikro-LED'ler yüksek modülasyon bant genişlikleri (Gb/s hızlarına uygun) sunarak, yüksek hızlı haberleşme için uygun hale gelirler.

2.2 Alıcı: SPAD Dizisi

Alıcının çekirdeği, CMOS ile üretilmiş bir Tek Fotonlu Çığ Diyotu (SPAD) dizisidir. Bir SPAD, Geiger modunda çalışarak, tek bir fotonun soğurulması üzerine tespit edilebilir bir elektrik darbesi üretir ve ardından bir ölü zaman süresi gelir. SPAD'ları dizi halinde kullanmak ve çıktılarını birleştirmek, ölü zaman sınırlamalarını hafifletir ve yüksek dinamik aralık sağlar. CMOS entegrasyonu, önemli ölçüde yonga üstü sinyal işlemeye (örn., söndürme, sayma) olanak tanıyarak arka uç karmaşıklığını azaltır.

2.3 Modülasyon Şeması: RZ-OOK

Seçilen modülasyon, Sıfıra Dönüşlü Aç-Kapa Anahtarlama'dır (RZ-OOK). Sıfıra Dönüşsüz (NRZ) modülasyona kıyasla daha fazla bant genişliği gerektirse de, RZ-OOK, SPAD tabanlı sistemlerde ölü zaman ve foton varış istatistiklerinden kaynaklanan Semboller Arası Girişimi (ISI) azaltır. Sinyal, basit bir eşik dedektörü kullanılarak çözülür. Foton tespit süreci Poisson dağılımına uyar. Ortalama varış hızı $\lambda$ foton/bit olan bir bit periyodunda k foton tespit etme olasılığı şu şekilde verilir: $$P(k) = \frac{e^{-\lambda} \lambda^k}{k!}$$ Bit Hata Oranı (BER), temelde bu istatistikler tarafından Standart Kuantum Limiti'ne (SQL) doğru sınırlandırılır.

3. Deneysel Sonuçlar & Performans

3.1 Hassasiyet & Veri Hızı

Temel sonuçlar performans metriklerinde özetlenmiştir. Bağlantı iki kilit çalışma noktası göstermiştir:

  • 50 Mb/s: -60.5 dBm hassasiyet elde edilmiştir.
  • 100 Mb/s: -55.2 dBm hassasiyet elde edilmiştir, bu da yaklaşık bit başına 7.5 tespit edilen fotona karşılık gelir.
Bu 100 Mb/s hassasiyetinin, 635 nm ışık için Standart Kuantum Limiti (SQL) olan -70.1 dBm'den 18.5 dB uzakta olduğu bildirilmektedir; bu da gelişmiş kodlama ve tespit algoritmalarıyla daha fazla iyileştirme potansiyeli olduğunu göstermektedir.

3.2 Güç Tüketimi & SWaP Metrikleri

Kritik bir başarı, optimize edilmemiş prototip için 5.5 Watt'tan daha az olan toplam sistem güç tüketimidir. Bu düşük güç, CMOS ve flip-chip bağlı cihazların doğal kompaktlığı ile birleştiğinde, düşük-SWaP önermesini doğrulamaktadır. Sistem, termo-elektrik soğutucular (APD'lerde yaygın) veya kriyojenik sistemler (süperiletken dedektörler için) gibi güç tüketimi yüksek bileşenlerden kaçınmaktadır.

3.3 Bit Hata Oranı Analizi

BER eğrileri, alınan optik gücün bir fonksiyonu olarak ölçülmüştür. Eğriler, foton sayımlı alıcıların karakteristik dik eğimini göstermektedir. Daha yüksek veri hızlarında performans düşüşü, SPAD ölü zamanının ve ISI'nın artan etkisine bağlanmaktadır. Bu bağlamda, RZ modülasyonunun kullanımının, tahmin edildiği gibi, NRZ'ye göre belirgin bir BER avantajı sağladığı görülmüştür.

Grafik Açıklaması (İma Edilen): BER'yi (logaritmik ölçek) Alınan Optik Güce (dBm) karşı çizen bir grafik. 50 Mb/s ve 100 Mb/s için iki eğri gösterilmektedir. 50 Mb/s eğrisi, 100 Mb/s eğrisinden daha düşük bir güçte (daha hassas) 1e-3 BER'ye ulaşmaktadır. Her iki eğri de keskin bir "şelale" bölgesi göstermektedir. Kesikli çizgiler teorik SQL limitini gösterebilir.

4. Teknik Analiz & Temel Çıkarımlar

Temel Çıkarım: Bu makale, saf hassasiyet rekorları kırmakla ilgili değildir; pratik sistem mühendisliği konusunda bir ustalık dersidir. Gerçek atılım, kuantum limitine yakın hassasiyetin (-55.2 dBm @ 100 Mb/s), son derece basit, dijital doğal ve son derece düşük güçlü (<5.5W) bir kutudan çıkarılabileceğini kanıtlamaktır. Diğerleri sıvı helyum ve karmaşık DSP ile SQL'e dB'lerle yaklaşmaya çalışırken, Griffiths ve ark. şunu soruyor: "-70 dBm'lik bir bağlantı, taşımak için bir kamyona ihtiyaç duyuyorsa ne işe yarar?" Onların cevabı, bir mikro-LED ve SPAD dizisini doğrudan CMOS üzerine entegre ederek, laboratuvar merakını, CubeSat'lar ve drone'lar gibi SWaP kısıtlı platformlar için dağıtılabilir bir varlığa dönüştürmektir.

Mantıksal Akış: Argüman zarif bir şekilde doğrusaldır. 1) Yüksek hassasiyetli FSO mevcuttur ancak hantal, yüksek güçlü donanıma dayanır (problem tanımı). 2) İki CMOS uyumlu teknoloji—mikro-LED'ler (hızlı, entegre edilebilir vericiler) ve SPAD dizileri (tek foton hassasiyetli, entegre edilebilir alıcılar)—çözüm olarak belirlenmiştir. 3) Karmaşık, güç tüketimi yüksek kodlamadan kaçınmak için mümkün olan en basit modülasyonu (RZ-OOK) kullanarak bunları minimal bir sisteme entegre edin. 4) Ölçün: veriler aynı anda yüksek hassasiyet ve düşük güç göstermektedir. Mantık, entegrasyon + basitlik = pratik yüksek performans olduğunu kanıtlar.

Güçlü & Zayıf Yönler: Güçlü yönü inkâr edilemez: akademik fotonik makalelerinde nadiren ölçülen, hatta başarılan sistem düzeyinde SWaP verimliliği gösterilmiştir. RZ-OOK seçimi, SPAD ölü zamanı sorunlarını hafifletmek için akıllıcadır. Ancak, bu basitlik için yapılan ödün, zayıf yönüdür. 100 Mb/s hız mütevazıdır ve SQL'e olan 18.5 dB'lik boşluk önemlidir. D. Chitnis ve S. Collins, "A SPAD-based photon detecting system for optical communications," JLT 2014 gibi temel SPAD haberleşme çalışmalarında belirtildiği gibi, gelişmiş modülasyon (örn., PPM) ve ileri hata düzeltme bu boşluğun çoğunu kapatabilir. Makale bunu kabul etmekte ancak gelecekteki çalışmalara bırakmakta, böylece optimalite iddiasını biraz zayıflatmaktadır.

Uygulanabilir Çıkarımlar: Endüstri için bu bir taslaktır: aşırı tasarımdan vazgeçin. Derinlemesine entegre fotonik-elektronik çekirdeklerle başlayın (CMOS sizin dostunuzdur) ve yalnızca basit çözüm başarısız olursa karmaşıklık (modülasyon, kodlama) ekleyin. <5.5W güç bütçesi, yeni nesil ürün yöneticileri için geçilmesi gereken rakamdır. Araştırmacılar için yol açıktır. Bir sonraki makale, bu hassasiyet boşluğunu yonga üstü kodlama ve işlemeyle kapatmalıdır. Düşük güçlü CMOS mantığı, LDPC gibi kapasiteye yakın kodları uygulayarak bu 18 dB'yi geri kazanabilir mi? Bu teknolojiyi 6G arka bağlantısında veya uydu takımyıldızlarında baskın hale getirmek, niş uygulamaların ötesine geçmek için milyar dolarlık sorudur.

5. Analiz Çerçevesi & Örnek Vaka

Çerçeve: SWaP Kısıtlı Sistem Tasarımı Ödün Matrisi

Bu vaka, gömülü fotonik sistemler için yapılandırılmış bir ödün analizini örneklemektedir. Çerçeve, kısıtlamaları önceliklendirir ve kasıtlı fedakarlıklar yapar.

  1. Birincil Kısıt Tanımlama: SWaP en önemlisidir. Bu, yüksek güçlü lazerleri, harici modülatörleri, kriyojenik sistemleri ve hantal ayrık optikleri hemen devre dışı bırakır.
  2. Teknoloji Seçimi ("Ne"): Gerekli işlevleri (yüksek hızlı yayılım, tek foton tespiti) en SWaP verimli, entegre edilebilir teknolojilere eşleyin: Mikro-LED'ler ve CMOS SPAD'lar.
  3. Karmaşıklık Minimizasyonu ("Nasıl"): Temel performans spesifikasyonunu karşılayan en basit algoritma/modülasyonu seçin. Burada hedef, maksimum spektral verimlilik değil, belirli bir veri hızında (100 Mb/s) maksimum hassasiyettir. Bu nedenle, karmaşık m-QAM reddedilmiş, basit RZ-OOK tercih edilmiştir.
  4. Entegrasyon Noktası Tanımı: Güç tasarrufu için özel donanımın yazılımdan devralması gereken sınırı tanımlayın. Burada, foton sayımı ve temel eşikleme, CMOS SPAD dizisinin özel devrelerine itilmiştir.
  5. Metrik Doğrulama: Tüm sistemi, yalnızca bir alt bileşenin optimal performansına karşı değil, tüm birincil kısıtlara (Hassasiyet: -55.2 dBm, Güç: <5.5W, Veri Hızı: 100 Mb/s) karşı ölçün.

Vaka Uygulaması: Yazarlar bu çerçeveyi mükemmel bir şekilde uygulamıştır. Spektral verimlilik ve nihai hassasiyetten (SQL'e olan 18.5 dB'lik boşluğu kabul ederek) fedakarlık yapmış, güç ve entegre edilebilirlik gibi birincil kısıtlar üzerinde başarı kazanmışlardır. Karşıt bir başarısız yaklaşım, yüksek hassasiyetli bir süperiletken nanotel tek foton dedektörü (SNSPD) alıp onun kriyososunu küçültmeye çalışmak—fiziğe karşı bir savaş—olurdu. Bu makalenin başarısı, CMOS ile kazanabileceği savaşları seçmesinde yatar.

6. Gelecekteki Uygulamalar & Gelişim Yönleri

Gösterilen teknoloji, birkaç kritik uygulama alanına kapı açmakta ve evrim için net yollar önermektedir.

  • CubeSat & Küçük Uydu Takımyıldızları: Nihai düşük-SWaP ortamı. Bu tür bağlantılar, mega-takımyıldızlar için yüksek hızlı uydular arası bağlantılara (ISL) olanak tanıyarak, spektrum kısıtlamaları olan RF'ye olan bağımlılığı azaltabilir. SpaceX (Starlink) ve Planet Labs gibi şirketler potansiyel son kullanıcılardır.
  • İnsansız Hava Aracı (İHA) Sürüleri: Koordineli görevler için drone'lar arasında, tespit edilebilir RF emisyonu olmadan güvenli, yüksek bant genişlikli haberleşme.
  • Son Mil Yer Haberleşmesi: Afet kurtarma veya askeri operasyonlarda, geçici düğümler arasında yüksek bant genişlikli bağlantıların hızlı dağıtımı.
  • Gelecekteki Gelişim Yönleri:
    1. Yonga Üstü Kodlama & DSP: Gelişmiş ileri hata düzeltmeyi (örn., LDPC, Polar kodları) ve tespit algoritmalarını doğrudan alıcı CMOS'una entegre ederek, gücü veya boyutu önemli ölçüde artırmadan SQL'e olan hassasiyet boşluğunu kapatmak.
    2. Dalga Boyu Ölçeklendirme: Daha iyi atmosferik iletim ve göz güvenliği için 635 nm'den telekom dalga boylarına (1550 nm) geçiş, InGaAs/InP SPAD'lar gibi malzemeler kullanarak (ancak CMOS ile entegrasyon daha zorlu).
    3. Işın Yönlendirme & İzleme Entegrasyonu: Dinamik FSO bağlantılarında sağlam hizalama için aynı paket üzerine Mikro-Elektro-Mekanik Sistem (MEMS) aynaları veya sıvı kristal tabanlı ışın yönlendiricileri entegre etmek, mobil platformlar için kritik bir adım.
    4. Ağ Prototipleme: Noktadan noktaya bağlantılardan, bu düşük-SWaP düğümlerinden oluşan küçük, geçici ağların gösterimine geçiş, protokolleri ve ağ yönetimini ele almak.

7. Referanslar

  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. (t.y.). Direct On-chip Digital Optical Synthesizer (DODOS) Program. Erişim adresi: https://www.darpa.mil/program/direct-on-chip-digital-optical-synthesizer
  5. NASA. (2020). Optical Communications and Sensor Demonstration (OCSD). Erişim adresi: 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.