採用低SWaP硬體實現高靈敏度自由空間光通訊

概述

本研究展示了一種實用的自由空間光通訊鏈路，其採用了高度整合、低尺寸、重量與功耗的硬體。該系統結合了由CMOS驅動器控制的氮化鎵微發光二極體發射器，以及基於CMOS整合單光子雪崩二極體陣列的接收器。使用簡單的歸零啟閉鍵控調變方案，該鏈路在總功耗低於5.5瓦的條件下，實現了100 Mb/s的資料傳輸率，接收器靈敏度達-55.2 dBm（相當於每位元約偵測到7.5個光子）。這代表了朝向可部署、適用於受限環境的高效能光通訊系統邁出了重要一步。

100 Mb/s

實測資料傳輸率

-55.2 dBm

接收器靈敏度 @ 100 Mb/s

< 5.5 W

系統總功耗

7.5 photons/bit

偵測效率

1. 引言

自由空間光通訊具有高頻寬潛力，但通常依賴於龐大且耗能的設備，例如外部調變器驅動的雷射與低溫接收器。為滿足小型衛星、無人飛行載具與便攜式地面終端等應用的需求，必須轉向採用低SWaP硬體的新典範。本文透過利用兩項關鍵的CMOS相容技術來解決此需求：用於發射的高頻寬微發光二極體，以及用於超高靈敏度接收的SPAD陣列。將這兩項元件整合至緊湊、具數位介面的系統中是核心創新，超越了實驗室演示，邁向實際應用。

2. 方法與系統架構

此通訊系統由兩個整合子系統建構而成：發射器與接收器，兩者皆為最小化SWaP而設計。

2.1 發射器：CMOS控制之微發光二極體

光源為基於氮化鎵的微發光二極體，透過凸塊接合技術連接至CMOS控制晶片。此整合允許以高空間與時間精度直接數位控制光發射，無需獨立的數位類比轉換器與任意波形產生器。微發光二極體提供高調變頻寬（可達Gb/s速率），使其適用於高速通訊。

2.2 接收器：SPAD陣列

接收器的核心是CMOS製程製造的單光子雪崩二極體陣列。SPAD操作於蓋革模式，在吸收單一光子後會產生一個可偵測的電脈衝，隨後進入死區時間。將多個SPAD組成陣列並合併其輸出，可減輕死區時間的限制並實現高動態範圍。CMOS整合允許進行顯著的晶片上訊號處理（例如淬滅、計數），降低了後端複雜度。

2.3 調變方案：RZ-OOK

選擇的調變方式為歸零啟閉鍵控。雖然比非歸零編碼需要更多頻寬，但RZ-OOK減少了基於SPAD的系統中因死區時間與光子到達統計特性所引起的符號間干擾。訊號使用簡單的閾值偵測器進行解碼。光子偵測過程遵循泊松分佈。在平均到達率為 $\lambda$ 光子/位元的條件下，於一個位元週期內偵測到 k 個光子的機率為： $$P(k) = \frac{e^{-\lambda} \lambda^k}{k!}$$ 位元錯誤率從根本上受此統計特性限制，趨近於標準量子極限。

3. 實驗結果與效能

3.1 靈敏度與資料傳輸率

主要結果總結於效能指標中。該鏈路展示了兩個關鍵操作點：

50 Mb/s： 達到 -60.5 dBm 的靈敏度。
100 Mb/s： 達到 -55.2 dBm 的靈敏度，相當於約 每位元偵測到7.5個光子。

據報告，此100 Mb/s的靈敏度距離635 nm光波的標準量子極限尚有18.5 dB的差距，顯示透過先進編碼與偵測演算法仍有進一步改善的空間。

3.2 功耗與SWaP指標

一項關鍵成就是未經最佳化的原型機總系統功耗低於 5.5瓦。此低功耗特性，結合CMOS與覆晶接合元件固有的緊湊性，驗證了低SWaP的前提。該系統避免了耗能元件，如熱電冷卻器或低溫系統。

3.3 位元錯誤率分析

位元錯誤率曲線是作為接收光功率的函數進行量測的。曲線顯示出光子計數接收器特有的陡峭斜率。在較高資料傳輸率下效能下降，歸因於SPAD死區時間與符號間干擾的影響增加。在此情境下，使用RZ調變相較於NRZ提供了明顯的位元錯誤率優勢，正如預期。

圖表說明： 一張繪製位元錯誤率與接收光功率關係的圖表。圖中顯示了50 Mb/s與100 Mb/s的兩條曲線。50 Mb/s曲線在較低功率下達到1e-3的位元錯誤率。兩條曲線均顯示出陡峭的「瀑布」區域。虛線可能表示理論上的SQL極限。

4. 技術分析與核心洞見

核心洞見： 本文並非旨在打破純粹的靈敏度紀錄；它是一堂關於務實系統工程的大師課。真正的突破在於證明，近乎量子極限的靈敏度可以從一個極其簡單、原生數位化且功耗極低的裝置中提取出來。當其他人使用液態氦與複雜的數位訊號處理技術追逐更接近SQL的dB值時，Griffiths等人提出：「一個需要卡車才能運載的-70 dBm鏈路有什麼用？」他們的答案是將微發光二極體與SPAD陣列直接整合到CMOS上，將實驗室裡的奇巧之物轉變為可部署於CubeSat和無人機等SWaP受限平台的資產。

邏輯脈絡： 論證過程優雅而線性。1) 高靈敏度FSO存在，但依賴龐大、高功耗的硬體（問題陳述）。2) 兩項CMOS相容技術——微發光二極體與SPAD陣列——被確認為解決方案。3) 使用最簡單的調變方案將它們整合到一個最小化系統中，以避免複雜、耗能的編碼。4) 量測：數據同時顯示了高靈敏度與低功耗。此邏輯證明：整合 + 簡潔 = 實用的高效能。

優勢與不足： 其優勢無可否認：展示了學術光子學論文鮮少量測、更遑論達成的系統層級SWaP效率。選擇RZ-OOK來減輕SPAD死區時間問題是明智之舉。然而，不足之處在於為此簡潔性所做的取捨。100 Mb/s的速率相對保守，且距離SQL的18.5 dB差距顯著。正如D. Chitnis and S. Collins, "A SPAD-based photon detecting system for optical communications," JLT 2014等SPAD通訊開創性研究所指出的，先進的調變與前向錯誤更正可以彌補大部分差距。本文承認這一點，但將其留待未來研究，這略微削弱了其關於最佳化的主張。

可行洞見： 對產業界而言，這是一個藍圖：停止過度設計。從深度整合的光子-電子核心開始，僅在簡單方案失效時才增加複雜度。<5.5W的功耗預算是下一代產品經理需要超越的數字。對研究人員而言，路徑很明確。下一篇論文必須使用晶片上的編碼與處理來彌補靈敏度差距。低功耗CMOS邏輯能否實現如LDPC等接近容量極限的編碼來挽回那18 dB？這是讓此技術在6G回傳或衛星星系中佔據主導地位、超越利基應用的關鍵問題。

5. 分析框架與案例範例

框架：SWaP受限系統設計取捨矩陣

此案例闡釋了嵌入式光子系統的結構化取捨分析。該框架優先考慮約束條件並做出有意識的犧牲。

主要約束識別： SWaP至關重要。這立即排除了高功率雷射、外部調變器、低溫系統與龐大的離散光學元件。
技術選擇： 將所需功能映射到最SWaP高效、可整合的技術：微發光二極體與CMOS SPAD。
複雜度最小化： 選擇能滿足核心效能規格的最簡單演算法/調變方式。此處的目標是在目標資料傳輸率下達到最大靈敏度，而非最大頻譜效率。因此，複雜的m-QAM被捨棄，轉而採用簡單的RZ-OOK。
整合點定義： 定義自訂硬體必須從軟體接手以節省功耗的邊界。在此，光子計數與基本閾值判斷被推入CMOS SPAD陣列的專用電路中。
指標驗證： 針對所有主要約束條件量測完整系統的效能，而不僅僅是子元件的最佳效能。

案例應用： 作者完美地應用了此框架。他們犧牲了頻譜效率與終極靈敏度，以贏得功耗與可整合性這兩個主要約束條件。一個對比的失敗做法是採用高靈敏度的超導奈米線單光子偵測器，並試圖將其低溫冷卻器微型化——這是一場對抗物理定律的戰鬥。本文的成功在於選擇了能用CMOS打贏的仗。

6. 未來應用與發展方向

所展示的技術為數個關鍵應用領域開啟了大門，並指出了清晰的發展路徑。

立方衛星與小型衛星星系： 終極的低SWaP環境。此類鏈路可為大型星系實現高速星間鏈路，減少對頻譜受限的無線電頻率的依賴。SpaceX與Planet Labs等公司是潛在的終端用戶。
無人飛行載具集群： 用於協同任務的無人機之間的安全、高頻寬通訊，且無可偵測的無線電頻率輻射。
最後一哩地面通訊： 在災害復原或軍事行動中，於臨時節點間快速部署高頻寬鏈路。
未來發展方向：
1. 晶片上編碼與數位訊號處理： 將先進的前向錯誤更正與偵測演算法直接整合到接收器CMOS中，以在不顯著增加功耗或尺寸的情況下，縮小與SQL的靈敏度差距。
2. 波長擴展： 從635 nm轉向電信波長，以獲得更好的大氣傳輸特性與人眼安全性，使用如InGaAs/InP SPAD等材料。
3. 光束導向與追蹤整合： 在同一封裝中整合微機電系統反射鏡或液晶光束導向器，以實現動態FSO鏈路中的穩健對準，這是移動平台的關鍵步驟。
4. 網路原型開發： 從點對點鏈路轉向展示由這些低SWaP節點組成的小型臨機網路，解決通訊協定與網路管理問題。

7. 參考文獻

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.
Chitnis, D., & Collins, S. (2014). A SPAD-based photon detecting system for optical communications. Journal of Lightwave Technology, 32(10), 2028-2034.
Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
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Richardson, D. J., Fini, J. M., & Nelson, L. E. (2013). Space-division multiplexing in optical fibres. Nature Photonics, 7(5), 354-362.