本文通過展示一個完全由緊湊、集成化硬件構建嘅高靈敏度鏈路，喺自由空間光（FSO）通信領域取得咗重大進展。其解決嘅核心挑戰在於，傳統高性能FSO系統依賴於龐大、耗電嘅設備，例如任意波形產生器、外部調製器同低溫接收器，呢啲設備唔適合對尺寸、重量同功耗（SWaP）有嚴格限制嘅應用。
作者嘅解決方案利用咗兩種關鍵嘅CMOS兼容技術：以氮化鎵（GaN）微型發光二極管（micro-LED）作為發射器，以單光子雪崩二極管（SPAD）陣列作為接收器。呢種集成方法消除咗對分立式高功率組件嘅需求，為便攜式、高能效通信系統鋪平咗道路。
呢項突破嘅關鍵在於策略性地使用咗兩種半導體技術，佢哋喺大規模生產方面已經成熟，但以呢種特定組合應用於FSO則係新穎嘅。
SPAD係一種光電探測器，能夠通過蓋革模式下嘅雪崩倍增，從單個光子產生可測量嘅輸出脈衝。將佢哋集成到標準CMOS工藝嘅陣列中係一個改變遊戲規則嘅進步。呢種做法允許：
呢項工作中嘅接收器使用咗呢種CMOS SPAD陣列，喺無需低溫冷卻嘅情況下實現咗卓越嘅靈敏度。
發射器基於GaN微型LED，相比傳統激光二極管或大面積LED，佢具有以下幾個優勢：
作者採用咗一種簡單但有效嘅調製方案。喺RZ-OOK中，二進制「1」由一個喺比特週期內返回到零嘅光脈衝表示，而「0」則由無光表示。選擇呢種方案而非非歸零（NRZ），係專門針對基於SPAD嘅系統，因為佢有助於減少符號間干擾（ISI）。SPAD嘅死區時間（探測器觸發後會暫時失明）會加劇ISI。RZ-OOK中保證嘅零功率週期提供咗一個重置窗口，即使需要更高嘅調製帶寬，亦改善咗誤碼率（BER）性能。
實驗鏈路由以下部分組成：
系統喺兩種數據速率下進行咗測試。關鍵結果總結如下：
圖表描述（根據數據推斷）： 一幅誤碼率（BER）對接收光功率嘅圖表會顯示50 Mb/s同100 Mb/s嘅兩條曲線。兩條曲線都會展示出光子計數接收器特有嘅陡峭「瀑布」形狀。同100 Mb/s曲線相比，50 Mb/s曲線會向左偏移（更靈敏）。100 Mb/s嘅-55.2 dBm點對應嘅誤碼率很可能低於 $10^{-3}$（通信嘅標準閾值）。呢個性能比標準量子極限（100 Mb/s、635 nm下為-70.1 dBm）高出約18.5 dB，表明通過先進編碼同信號處理仍有改進空間。
整個未經優化嘅鏈路總功耗經測量低於5.5 W，同實驗枱式激光器加調製器設置消耗嘅數十至數百瓦形成鮮明對比。
性能根本上由光子統計學支配。對於使用OOK嘅完美光子計數接收器，錯誤概率（BER）同「1」符號嘅每比特平均光子數（$\mu$）相關。對於設定喺 $n_{th}$ 個光子嘅閾值：
$P_e \approx \frac{1}{2} \left[ \sum_{n=0}^{n_{th}} \frac{\mu^n e^{-\mu}}{n!} + \sum_{n=n_{th}+1}^{\infty} \frac{(\mu/\kappa)^n e^{-\mu/\kappa}}{n!} \right]$
其中 $\kappa$ 係消光比（「0」狀態功率 / 「1」狀態功率）。喺理想系統中（$\kappa=0$，無噪聲），對於 $10^{-9}$ 嘅誤碼率，理論極限（SQL）約為每比特10個光子。喺更低誤碼率目標下實現嘅~7.5光子/比特展示咗高效率。偏離SQL嘅原因在於SPAD嘅非理想特性：死區時間、後脈衝同暗計數率，佢哋引入噪聲並降低有效光子計數。
以dBm表示嘅靈敏度係從光子計數計算得出：
$P_{rec} = \frac{N_{ph} \cdot h \cdot \nu \cdot R_b}{\eta}$
其中 $N_{ph}$ 係光子/比特，$h$ 係普朗克常數，$\nu$ 係光頻率，$R_b$ 係比特率，$\eta$ 係探測器量子效率。將 $P_{rec}$ 轉換為dBm（$10\log_{10}(P_{rec}/1\text{mW})$）就得到報告嘅靈敏度數字。
核心見解： 呢篇論文唔單止係關於更好嘅靈敏度；佢係高性能FSO 實際商品化 嘅藍圖。通過堅持不懈地用CMOS集成、數字接口嘅對應組件取代每一個龐大、模擬嘅實驗枱組件，Griffiths等人有效地規劃咗從實驗室新奇事物到可部署產品嘅路徑。真正嘅頭條係低於5.5W嘅功耗預算——呢點令佢對衛星、無人機同移動單元變得重要，喺呢啲領域，能量係最終嘅貨幣。
邏輯流程： 邏輯無懈可擊且以產品為導向：1) 將SWaP確定為關鍵障礙（唔係原始性能）。2) 選擇兩種CMOS兼容嘅器件技術（微型LED同SPAD），佢哋本質上能提供所需性能（速度同靈敏度）。3) 使用最簡單可能嘅調製（RZ-OOK）以最小化處理開銷並突顯硬件嘅固有能力。4) 證明呢個集成堆棧能提供引人注目嘅指標（100Mb/s @ -55dBm）。呢係一個經典嘅「保持簡單，傻瓜」工程勝利。
優點與缺陷：
優點： 將發射器同接收器共同集成到CMOS兼容平台係具有遠見嘅，並具有巨大嘅可擴展性同降低成本嘅意義。對系統總功耗嘅關注係一種受歡迎嘅現實主義，純粹研究中經常缺乏呢點。選擇RZ-OOK來對抗SPAD死區時間係一個聰明、實用嘅系統級優化。
缺陷： 房間裡嘅大象係 缺乏通道穩健性 測試。論文展示咗一個基於實驗室、經過衰減嘅鏈路。真實世界嘅FSO必須應對大氣湍流、閃爍同指向誤差。正如麻省理工學院林肯實驗室關於深空光通信嘅研究所強調嘅，湍流可能導致超過20 dB嘅衰落——呢個光子匱乏嘅鏈路能倖存嗎？此外，使用簡單嘅閾值檢測器留下咗巨大嘅性能提升空間。該領域已轉向複雜算法；正如Khalighi等人（IEEE Transactions on Communications, 2014）嘅工作所示，使用針對SPAD統計特性量身定做嘅最大似然序列檢測或糾錯編碼，可以彌補大部分與SQL之間嘅18.5 dB差距。
可行見解： 對於業界而言，關鍵在於投資於呢啲芯片嘅 系統封裝同控制算法。核心器件物理已經得到驗證。下一步係集成微光學器件用於光束整形/捕獲，並開發能夠處理真實通道損傷並利用SPAD統計特性嘅穩健DSP固件。對於研究人員，路線圖很清晰：1) 集成前向糾錯（如LDPC碼）以接近SQL。2) 喺真實、湍流嘅大氣路徑上測試系統。3) 探索使用微型LED陣列進行波分複用，以在不增加帶寬嘅情況下提升數據速率。呢項工作提供咗基礎硬件；而家我哋需要喺佢上面構建智能層。
框架：受SWaP約束嘅系統設計矩陣
呢篇論文提供咗一個完美嘅案例研究，用於根據多維約束評估技術。一個有用嘅分析框架係跨關鍵向量嘅加權評分矩陣：
| 技術 | 性能（靈敏度/數據速率） | SWaP評分 | 集成潛力 | 技術就緒水平 (TRL) | 總分（加權） |
|---|---|---|---|---|---|
| 本項工作（微型LED + SPAD） | 高（光子計數，100Mb/s） | 優秀（<5.5W，緊湊） | 優秀（CMOS原生） | 中高（實驗室演示，器件已商業化） | 9.2 |
| 傳統FSO（激光器 + APD） | 非常高（Gbps，良好靈敏度） | 差（高功耗，龐大） | 差（分立組件） | 非常高（成熟產品） | 6.0 |
| 射頻（例如，毫米波） | 中（數據密度較低） | 良好 | 良好（有SoC可用） | 非常高 | 7.5 |
案例應用： 考慮一個需要衛星間鏈路嘅立方衛星供應商。使用呢個框架，微型LED/SPAD方法嘅高SWaP同集成評分立即令佢成為領先候選者，儘管其TRL略低於射頻。呢個分析迫使從純粹嘅性能最大化轉向 每瓦每立方厘米性能——呢個係現代受約束系統嘅真正指標。
呢種集成化、低SWaP方法嘅影響非常廣泛：
關鍵研究方向：