[論文レビュー] High-sensitivity free space optical communications using low size, weight and power hardware

Alexander D. Griffiths, Johannes Herrnsdorf+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2019

Advanced Optical Sensing Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、コンact、低サイズ・重量・電力（SWaP）のCMOS統合ハードウェアを用いて、高感度な自由空間光通信リンクを実証している。微小LED送信機とSPADアレイ受信機を用い、100 Mb/sで動作し、感度は-55.2 dBm（1ビットあたり7.5光子検出）を達成。量子限界に近い性能を5.48 Wの電力消費で実現しており、宇宙機、無人航空機（UAV）、ポータブル機器向けの高データレート・低SWaP光通信リンクの実用化を可能にする。

ABSTRACT

Free space optical communication systems with extremely high detector sensitivities are attractive for various applications with low size, weight and power requirements. For these practical systems, integrated hardware elements with small form factor are needed. Here, we demonstrate a communication link using a CMOS integrated micro-LED and array of single-photon avalanche diodes. These integrated systems provide a data rate of 100 Mb/s at a sensitivity of -55.2 dBm, corresponding to 7.5 detected photons per bit.

研究の動機と目的

• サイズ・重量・電力（SWaP）の要件を最小限に抑えた高感度な自由空間光通信システムの開発。
• 宇宙機器やドローンなどの空間制約のあるプラットフォームに適した、コンパクトで統合されたハードウェアで、高データレートと高感度を達成する課題への対応。
• 外部の大型で高消費電力な電子回路に依存しない、CMOS互換部品を用いた完全統合型デジタルインターフェース付き光トランシieverの実証。
• 単一光子アバランチダイオード（SPAD）と微小LEDを用いて、コンパクトでチップスケールのフォームファクタで、量子限界に近い感度を達成。
• 人工衛星、ドローン、ハンドヘルドデバイスなどの低SWaP環境における、高性能光通信リンクの実用的導入を可能にする。

提案手法

• シンボル間干渉（ISI）を低減し、SPADベースのシステムにおけるビット誤り率（BER）性能を向上させるために、リターン・トゥ・ゼロ・オフ・オフ・キーリング（RZ-OOK）変調を採用。
• FPGAが生成する短い電気パulses（FWHM = 3 ns）により個別に制御可能な、450 nmで発光するCMOS制御型微小LEDアレイ（99×99 µm²ピクセル）を採用。
• オンチップ信号処理を備えた単一光子アバランチダイオード（SPAD）アレイ受信機を統合し、高いダイナミックレンジと高感度検出を実現。
• FPGAを用いて送信機のデジタル制御を実施し、初期評価のために高帯域幅オシロスコープを用いたオフライン復号を実施。
• FPGAの使用を最小限に抑え、CMOS互換プロセスを活用することで、システム全体の電力消費を低減。総消費電力は5.5 W未満を達成。
• 微小LEDおよびSPADアレイのデジタルインターフェースを活用し、将来的なオンチップ復号と、マルチレベル変調による高速化に向けたスケーラビリティを実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全統合型で低SWaPの光通信システムは、CMOS統合型微小LEDとSPADアレイのみを用いて、高データレートと高感度を達成できるか？
• RQ2 NRZと比較して、RZ-OOK変調はSPADベースの自由空間光リンクにおけるBER性能をどの程度向上させるか？
• RQ3 外部ハードウェアを最小限に抑えたコンパクトでチップスケールのトランシieverシステムで、達成可能な感度とデータレートは何か？
• RQ4 このようなシステムの電力消費はどのようにスケーリングされ、低消費電力プラットフォームへの展開に最適化可能か？
• RQ5 実用的で統合可能な部品を用いて、システムは標準量子限界（SQL）に近づけるか？

主な発見

• 100 Mb/sのデータレートを達成し、受信感度は-55.2 dBm（1ビットあたり7.5光子検出）を記録。450 nmにおける標準量子限界（SQL）より13.42 dB高い性能を示した。
• 50 Mb/sでは感度が-60.5 dBmに向上し、タイミングジッタとISIの低減により、低速レートでの性能向上が確認された。
• システム全体の消費電力は5.48 Wで測定され、受信機用FPGAが最大の電力消費源（3.45 W）を占めており、さらなる最適化の余地が示された。
• 微小LED送信機は3 nsの全波幅半最大（FWHM）の光パulsesを生成し、100 Mb/s伝送に適した高帯域幅動作を実現。
• SPADアレイ受信機は高いダイナミックレンジを示し、デジタル信号処理と相性が良く、将来的なオンチップ復号により性能向上とスケーラビリティが期待できる。
• システムはmmスケールのフォームファクタと低消費電力であるため、人工衛星、UAV、ポータブル通信機器などの低SWaP環境への展開に適している。