[논문 리뷰] High-sensitivity free space optical communications using low size, weight and power hardware

Alexander D. Griffiths, Johannes Herrnsdorf외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 22.

Advanced Optical Sensing Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 소형, 저크기, 저무게, 저전력(SWaP) CMOS 통합 하드웨어인 마이크로-LED 송신기와 SPAD 어레이 수신기를 사용하여 고감도 자유공간 광통신 링크를 구현한다. 100 Mb/s 속도로 -55.2 dBm의 감도(비트당 7.5개의 감지된 광자)를 달성하며, 전력 소비가 5.48 W에 불과하여 양자한계에 근접한 성능을 보이며, 우주, 무인항공기(UAV), 휴대용 응용 분야에 적합한 고속도, 저SWaP 광통신 링크를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 크기, 무게, 전력(SWaP) 요구 사항을 충족하는 고감도 자유공간 광통신 시스템을 개발한다.
• 우주의 제한된 공간에 적합한 소형 통합 하드웨어에서 고속도와 고감도를 동시에 확보하는 도전 과제를 해결한다.
• 외부에 높은 전력 소비를 요구하는 거대한 전자기기 의존도를 제거하기 위해 CMOS 호환 성분을 사용한 완전 통합형 디지털 인터페이스 광 트랜시iever를 구현한다.
• 단일광자 암류 다이오드(SPAD)와 마이크로-LED를 소형 칩스케일 형상으로 사용하여 양자한계에 근접한 감도를 달성한다.
• 위성, 드론, 휴대기기 등 저SWaP 환경에서 실용적인 고성능 광통신 링크의 구현을 가능하게 한다.

제안 방법

• SPAD 기반 시스템에서 부호 간 간섭(ISI)을 줄이고 비트 오류 비율(BER) 성능을 향상시키기 위해 귀환제로 온오프 키링(RZ-OOK) 변조를 적용한다.
• 450 nm에서 방출하는 FPGA가 생성한 짧은 전기 펄스(FWHM = 3 ns)를 통해 개별 픽셀을 제어할 수 있는 CMOS 제어 마이크로-LED 어레이(99×99 µm² 픽셀)를 사용한다.
• 칩 내 신호 처리 기능을 통합한 단일광자 암류 다이오드(SPAD) 어레이 수신기를 구현하여 고다이나믹 레인지 및 고감도 검출 기능을 확보한다.
• 초기 특성 분석을 위해 송신기의 디지털 제어와 고속 옛스코프를 통한 오프라인 복호화를 위해 현장 프로그래밍가능게이트어레이(FPGA)를 사용한다.
• 전체 시스템 전력 소비를 5.5 W 이하로 최소화하기 위해 FPGA 사용을 최소화하고 CMOS 호환 제조 공정을 활용하여 저전력 소비를 최적화한다.
• 마이크로-LED 및 SPAD 어레이의 디지털 인터페이스를 활용하여 향후 칩 내 복호화 및 다수준 변조를 통한 고속도 확장성을 향상시킬 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전 통합형 저SWaP 광통신 시스템이 CMOS 통합 마이크로-LED 및 SPAD 어레이만으로 고속도와 고감도를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 RZ-OOK 변조 방식은 NRZ 대비 SPAD 기반 자유공간 광통신 링크에서 BER 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 최소한의 외부 하드웨어를 사용한 소형 칩스케일 트랜시iever 시스템에서 달성 가능한 감도와 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ4 이러한 시스템의 전력 소비는 어떻게 변화하며, 저전력 플랫폼에 적합하게 최적화될 수 있는가?
• RQ5 실용적인 통합 구성 요소를 사용하여 시스템이 표준 양자한계(SQL)에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 100 Mb/s 전송 속도에서 수신기 감도가 -55.2 dBm로 측정되었으며, 이는 비트당 7.5개의 감지된 광자에 해당하며, 450 nm에서 표준 양자한계(SQL)보다 13.42 dB 높은 성능이다.
• 50 Mb/s 속도에서 감도는 -60.5 dBm로 측정되어, 시간지연 잡음과 ISI가 감소함에 따라 저속도에서 성능 향상을 보였다.
• 전체 시스템 전력 소비는 5.48 W로 측정되었으며, 수신기 FPGA가 가장 큰 전력 소비 요소(3.45 W)를 차지하여 향후 최적화 잠재력이 크다는 것을 시사한다.
• 마이크로-LED 송신기는 3 ns의 전고도반폭(FWHM) 광 펄스를 생성하여 100 Mb/s 전송에 적합한 고대역폭 동작을 가능하게 했다.
• SPAD 어레이 수신기는 고다이나믹 레인지와 디지털 신호 처리와의 호환성을 확보하였으며, 향후 칩 내 복호화를 통해 성능 향상과 확장성 향상을 기대할 수 있다.
• 시스템의 mm 규모의 형상과 저전력 소비 특성 덕분에 위성, UAV, 휴대용 통신 장치 등 저SWaP 환경에 적합한 구현이 가능하다.