[논문 리뷰] New Optical Link Technologies for HEP Experiments

P. Delurgio, W. Fernando외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 30.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고에너지물리학(HEP) 실험에서 전통적인 VCSEL 기반 광섬유 링크를 대체하기 위해 연속파(CW) 레이저, 변조기, MEMS 미러를 사용한 자유공간 광링크 시스템을 제안한다. 프로토타입은 미터 규모의 거리에서 1.25 Gb/s를 구현하며, 광경로를 통한 피드백 제어를 통해 레이저와 광섬유를 방사선 농도가 높은 추적 검출기 외부로 이동시킬 수 있어 신뢰성 향상과 전력 소모 감소를 기대할 수 있다.

ABSTRACT

As a concern with the reliability and mass of current optical links in LHC experiments, we are investigating CW lasers and light modulators as an alternative to VCSELs. In addition we are developing data links in air, utilizing steering by MEMS mirrors and optical feedback paths for the control loop. Laser, modulator, and lens systems used are described, as well as two different electronic systems for a free space steering feedback loop. Our prototype system currently operates at 1.25 Gb/s, but could be upgraded. This link works over distances of order meters. Such links might enable one to move communication lasers (e.g. VCSELs) and optical fibers out of tracking detectors, for reasons such as reliability and power consumption. Some applications for free space data links, such as local triggering and data readout and trigger-clock distribution and links for much longer distances are also discussed.

연구 동기 및 목표

• LHC 실험에서 현재 사용 중인 VCSEL 기반 광링크와 관련된 신뢰성 및 질량 문제를 해결한다.
• VCSELs 대신 연속파(CW) 레이저와 변조기를 사용한 광통신 시스템의 개발을 목표로 한다.
• MEMS 미러 조종 및 광피드백을 통한 제어를 활용해 공기 중 자유공간 광데이터 링크를 실현한다.
• 레이저와 광섬유를 방사선 농도가 높은 추적 검출기 외부로 이동시켜 전력 소모를 감소시키고 시스템의 내구성을 향상시킨다.
• HEP 실험에서 국소 트리거링, 데이터 읽기 및 장거리 시계 분배에 응용 가능한 가능성을 탐색한다.

제안 방법

• 성능과 신뢰성 향상을 위해 VCSELs 대신 연속파(CW) 레이저와 외부 광변조기를 사용한다.
• 자기 조절 가능한 빔 조종을 위해 자유공간 광링크에서 MEMS 미러를 구현한다.
• 링크의 안정성과 실시간 빔 방향 제어를 위해 광피드백 경로를 통합한다.
• 빔 조종 정확도를 관리하기 위해 피드백 루프를 제어하기 위한 두 가지 별도의 전자 시스템을 설계한다.
• 렌즈 시스템을 사용해 몇 미터 거리에 걸쳐 광비출을 정렬하고 집중시킨다.
• 프로토타입을 1.25 Gb/s에서 작동시키며, 향후 고속 데이터 전송을 위한 업그레이드 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CW 레이저와 변조기는 HEP 광링크에서 VCSELs 대비 더 신뢰성 있고 낮은 질량의 대안을 제공할 수 있는가?
• RQ2 자유공간 환경에서 미터 규모 거리에서 MEMS 미러는 광비출을 얼마나 효과적으로 조종할 수 있는가?
• RQ3 자유공간 광링크에서 광피드백 제어를 통해 달성할 수 있는 데이터 전송 속도와 안정성 수준은 어느 정도인가?
• RQ4 레이저와 광섬유를 추적 검출기 외부로 이동시킴으로써 광링크를 얼마나 효과적으로 추적 검출기에서 분리할 수 있는가?
• RQ5 기본적인 데이터 전송 외에 이러한 자유공간 광링크는 HEP 실험에서 어떤 실용적 응용이 가능한가?

주요 결과

• 프로토타입 광링크는 자유공간 전송을 통해 수 미터 거리에서 1.25 Gb/s로 성공적으로 작동한다.
• 시스템은 빔 조종을 위해 MEMS 미러와 실시간 정렬 제어를 위한 광피드백을 활용한다.
• CW 레이저와 변조기의 사용은 VCSELs 대체 가능성에 대한 실현 가능성을 입증하며, 신뢰성 향상과 전력 소모 감소를 기대할 수 있다.
• 피드백 제어 루프는 환경적 요동과 정렬 이격 현상에도 불구하고 안정적인 작동을 가능하게 한다.
• 시스템은 확장 가능하며 향후 고속 데이터 전송을 지원하기 위한 업그레이드가 가능하다.
• 응용 가능성이 있는 분야로 국소 트리거링, 데이터 읽기 및 장거리 시계 분배가 있다.