[論文レビュー] New Optical Link Technologies for HEP Experiments

P. Delurgio, W. Fernando+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Photonic and Optical Devices参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、連続波（CW）レーザー、モodulator、MEMSミラーを用いた自由空間光リンクシステムを提案し、高エネルギー物理学（HEP）実験における従来のVCSELベースの光ファイバーリンクの代替を目的としている。プロトタイプはメートルスケールの距離で1.25 Gb/sを達成しており、光学パスを介したフィードバック制御を実装することで、レーザーとファイバーを放射線が強いトラッキング検出器から離して配置できる可能性を秘め、信頼性の向上と消費電力の低減を実現する。

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.

研究の動機と目的

• LHC実験における現在のVCSELベースの光リンクに伴う信頼性と質量の問題を解決すること。
• VCSELの代わりにCWレーザーとモodulatorを用いた代替光通信システムの開発。
• MEMSミラーを用いたビームスティアリングと光学フィードバックを活用した、空気中での自由空間光データリンクの実現。
• レーザーとファイバーを放射線が強いトラッキング検出器から離して配置することで、消費電力を低減し、システムの耐障害性を向上。
• 局所的トリガー、データリードアウト、長距離クロック配布など、HEP実験における応用の探求。

提案手法

• VCSELの代替として、性能と信頼性の向上が期待できる連続波（CW）レーザーと外部光モodulatorの使用。
• 自由空間光リンクにおける動的ビームスティアリングを実現するため、MEMSミラーの実装。
• リンクの安定化とビーム方向のリアルタイム制御を可能にするため、光学フィードバックパスの統合。
• ビームスティアリングの精度を確保するため、フィードバックループを管理する2種類の電子システムの設計。
• 数メートルの距離で光学ビームをコリメートおよび焦点化するためのレンズ系の使用。
• プロトタイプを1.25 Gb/sで動作させ、将来的な高速化アップグレードの可能性を考慮。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CWレーザーとモodulatorは、HEP光リンクにおいてVCSELよりも信頼性が高く、質量が小さい代替手段として有効に機能するか？
• RQ2 自由空間環境下で、MEMSミラーはメートルスケールの距離で光学ビームをどれほど効果的にスティアリングできるか？
• RQ3 自由空間光リンクにおいて、光学フィードバック制御によって達成可能なデータレートと安定性の水準はどの程度か？
• RQ4 レーザーとファイバーをトラッキング検出器から離すことで、光リンクをどの程度分離できるか？
• RQ5 基本的なデータ転送を越えて、このような自由空間光リンクがHEP実験において実現可能な応用は何か？

主な発見

• プロトタイプ光リンクは、自由空間伝送を用いてメートルオーダーの距離で1.25 Gb/sで正常に動作した。
• システムはビームスティアリングにMEMSミラーを、リアルタイムのアライメント制御に光学フィードバックを活用している。
• CWレーザーとモodulatorの使用は、VCSELの代替として実現可能であり、信頼性の向上と消費電力の低減が期待できる。
• フィードバック制御ループにより、環境的要因やアライメントドリフトに対しても安定した動作が可能となった。
• システムはスケーラブルであり、将来的な高レート対応のアップグレードが可能である。
• 応用例には、局所的トリガー、データリードアウト、長距離クロック配布が含まれる。