採用低SWaP硬件實現高靈敏度自由空間光學通訊

1. 簡介與概述

呢項工作通過解決尺寸、重量同功耗（SWaP）呢個關鍵挑戰，展示咗自由空間光學（FSO）通訊系統嘅重大進展。傳統嘅高靈敏度或高數據率FSO演示通常依賴於笨重、耗電量大嘅設備，例如任意波形產生器、外部調製器或低溫接收器。本文提出咗一種緊湊、集成嘅解決方案，使用CMOS控制嘅氮化鎵（GaN）微型發光二極管（micro-LED）作為發射器，以及互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成單光子雪崩二極管（SPAD）陣列作為接收器。該系統實現咗100 Mb/s嘅數據率，並具有-55.2 dBm嘅卓越接收器靈敏度（相當於每比特約7.5個檢測到嘅光子），同時總功耗低於5.5 W，驗證咗喺嚴格SWaP限制下實現高性能光學鏈路嘅可行性。

2. 核心技術

系統嘅性能取決於兩項關鍵嘅集成光子技術。

3. 系統實現與方法

4. 實驗結果與性能

圖表描述： 一個BER對接收光功率嘅圖表通常會顯示兩條曲線，一條係50 Mb/s，一條係100 Mb/s。50 Mb/s曲線會喺比100 Mb/s曲線（約-55.2 dBm）更低嘅功率水平（約-60.5 dBm）達到目標BER（例如1e-3），展示數據率同靈敏度之間嘅權衡。圖表會突出顯示與標準量子極限（SQL）嘅性能差距。

結果清楚展示咗數據率同靈敏度之間嘅權衡。喺50 Mb/s時，實現咗更高嘅-60.5 dBm靈敏度。據報告，系統喺100 Mb/s時嘅性能，對於635 nm光，與SQL（-70.1 dBm）相差18.5 dB以內。

5. 技術分析與數學框架

呢種光子計數接收器嘅基本極限係直接檢測嘅標準量子極限（SQL），源自光子到達嘅泊松統計。OOK嘅誤碼概率由下式給出：

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

其中 $P(0|1)$ 係發送“1”時判定為“0”嘅概率（漏檢），而 $P(1|0)$ 係發送“0”時判定為“1”嘅概率（虛警，通常來自暗計數）。對於SPAD，由於死區時間 $\tau_d$，檢測到嘅計數率 $R_d$ 與入射光子通量 $\Phi$ 並非線性關係：

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

其中 $\eta$ 係檢測效率。呢種非線性以及相關效應（如後脈衝）係選擇簡單RZ-OOK方案而非NRZ嘅關鍵原因，因為佢為比特之間提供更清晰嘅時間分隔，以減少ISI。

6. 分析師觀點：核心見解與評論

核心見解： Griffiths等人進行咗一次務實創新嘅大師級示範。佢哋冇孤立地追求破紀錄嘅靈敏度，而係設計咗一個整體優化嘅系統，其中集成CMOS光子學直接實現咗低SWaP外形尺寸。真正嘅突破唔單止係-55.2 dBm；而係喺整個收發器嘅功耗仲低過一個家用LED燈泡嘅情況下，實現咗呢個靈敏度。呢個將敘事從實驗室嘅新奇事物轉變為可部署嘅資產。

邏輯流程與戰略選擇： 邏輯無懈可擊。1) 問題： 高性能FSO受SWaP限制。2) 解決方案假設： 關鍵光子功能（微型LED驅動器、帶計數器嘅SPAD陣列）嘅CMOS集成係唯一可行路徑。3) 驗證： 使用最簡單嘅調製（RZ-OOK）首先證明集成硬件嘅基本能力，隔離SWaP嘅好處。呢個呼應咗具有硬件意識嘅機器學習開創性研究中嘅哲學，例如「高效處理深度神經網絡：教程與綜述」（Sze等人，Proceedings of the IEEE，2017）中嘅工作，該研究主張算法同硬件必須協同設計以實現現實世界嘅效率——呢個原則喺度得到生動展示。

優點與缺點： 主要優點係令人信服嘅系統級演示。<5.5W呢個數字係一個強有力嘅論據，支持喺無人機或衛星中進行現場部署。然而，論文嘅主要缺點係佢對數據密度嘅戰略性沉默。100 Mb/s對於傳感器遙測嚟講足夠，但對於現代通訊嚟講微不足道。使用簡單OOK，雖然對呢個概念驗證係明智之舉，但放棄咗巨大嘅頻譜效率。佢哋製造咗一架極高效嘅單車嚟證明引擎有效，而行業需要嘅係一架貨車。此外，對於鏈路穩健性（例如，對大氣湍流、指向誤差）嘅分析——FSO嘅致命弱點——係缺失嘅，對於任何準備投入現場嘅系統嚟講，呢個係一個關鍵遺漏。

可行見解： 1) 對於研究人員： 下一步唔係將靈敏度再推高一個dB，而係將呢個集成平台應用於更高階調製（例如，PPM、DPSK），以提高比特率，而唔係按比例增加SWaP。2) 對於投資者與集成商： 呢項技術已經成熟，適用於利基、高價值應用，呢啲應用需要低數據率、極高靈敏度同超低SWaP匯聚：諗下深空立方衛星交叉鏈路、安全軍用背包單元，或者喺電力受限環境中嘅物聯網回程。價值在於集成套件，而唔係單個組件。3) 關鍵路徑： 業界而家必須專注於強化呢個優雅嘅實驗室設置——增加自適應光學以減輕湍流影響，以及穩健嘅捕獲/跟踪系統——以從出色嘅原型過渡到產品。

7. 分析框架與案例示例

框架：SWaP限制下嘅系統性能權衡分析

為咗評估類似呢項嘅技術，我哋提出一個簡單而強大嘅框架，喺SWaP預算限制下，喺兩個軸上繪製性能：

1. 軸Y1：關鍵性能指標（KPI） – 例如，數據率（Mb/s）、靈敏度（dBm）或鏈路距離（km）。
2. 軸Y2：系統效率 – 例如，每瓦KPI（Mb/s/W）或每單位體積KPI。
3. 約束氣泡大小：總SWaP預算 – 例如，功耗（W）、體積（cm³）。

案例應用：

• 呢項工作（Griffiths等人）： 會佔據一個位置，具有中等絕對數據率（~100 Mb/s），但效率極高（~18 Mb/s/W），且位於一個非常細嘅SWaP氣泡內（<5.5W，緊湊外形）。
• 傳統高靈敏度FSO（例如，使用低溫探測器）： 可能顯示更高嘅絕對靈敏度（例如，-65 dBm），但效率非常低（極低嘅Mb/s/W）同一個巨大嘅SWaP氣泡。
• 傳統高速率FSO（例如，使用笨重EDFA/激光器）： 會顯示高絕對數據率（例如，10 Gb/s），但效率中等至較差，同一個大SWaP氣泡。

呢個視覺化即刻揭示，呢項工作嘅貢獻唔在於喺任何單一絕對KPI上取勝，而在於主導高效率、低SWaP象限，開闢全新嘅應用空間。

8. 未來應用與發展方向

所展示嘅集成路徑為幾項變革性應用鋪平道路：

• 納米/微型衛星星座（立方衛星）： 用於太空群組協調同數據中繼嘅超緊湊、低功耗星間鏈路（ISL），其中SWaP至關重要。
• 無人機（UAV）網絡： 用於監視同通訊中繼嘅安全、高帶寬空對空同空對地數據鏈路。
• 便攜式與安全戰術通訊： 用於超視距安全通訊嘅單兵背負式或車載系統，免受RF攔截/干擾。
• 能量收集物聯網回程： 連接電力供應極少嘅遠程傳感器網絡。

關鍵發展方向：

1. 調製技術進步： 從OOK遷移到更高頻譜效率或靈敏度優化嘅方案，例如脈衝位置調製（PPM）或差分相移鍵控（DPSK），利用相同嘅CMOS平台。
2. 波長擴展： 開發用於通訊波長（例如，1550 nm）嘅微型LED同SPAD，以獲得更好嘅大氣傳輸同眼睛安全性。
3. 協同集成與片上系統（SoC）： 進一步將驅動電子器件、數字信號處理（用於前向糾錯、時鐘恢復嘅DSP）同控制邏輯，與光子器件一起集成到單個CMOS芯片上。
4. 光束轉向集成： 將微機電系統（MEMS）或基於液晶嘅光束轉向直接集成到封裝中，以實現穩健嘅對準同跟踪。

9. 參考文獻

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. (Cited for system-level co-design philosophy).
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. (Example of advanced CMOS-SPAD integration).
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. (Foundational theory underlying all communication limits).