[论文解读] 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 5

一句话总结

本论文展示了一种利用紧凑、低尺寸、重量和功耗（SWaP）CMOS集成硬件的高灵敏度自由空间光通信链路：微型LED发射器与SPAD阵列接收器。系统在100 Mb/s速率下实现-55.2 dBm的灵敏度（每比特检测7.5个光子），仅消耗5.48 W功率，性能接近量子极限，适用于空间、无人机及便携式应用的高速率、低SWaP光通信链路。

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.

研究动机与目标

• 开发一种具有极低尺寸、重量和功耗（SWaP）要求的高灵敏度自由空间光通信系统。
• 解决在空间受限平台中实现高数据速率与高灵敏度的紧凑集成硬件的挑战。
• 展示一种完全集成、具备数字接口的光收发器，采用CMOS兼容组件，消除对外部大型高功耗电子设备的依赖。
• 在紧凑芯片级封装中，利用单光子雪崩二极管（SPAD）与微型LED实现接近量子极限的灵敏度。
• 实现在卫星、无人机及手持设备等低SWaP环境中的高性能光通信链路的实际部署。

提出的方法

• 采用归零断续键控（RZ-OOK）调制以减少符号间干扰（ISI），并提升SPAD基系统中的误码率（BER）性能。
• 采用CMOS控制的微型LED阵列（每个像素99×99 µm²，中心波长450 nm），通过FPGA生成的短电脉冲（FWHM = 3 ns）实现单个像素独立控制。
• 集成单光子雪崩二极管（SPAD）阵列接收器并配备片上信号处理，实现高动态范围与高灵敏度检测。
• 使用现场可编程门阵列（FPGA）实现发射器的数字控制，并通过高速示波器进行离线解码以完成初步表征。
• 通过最小化FPGA使用并利用CMOS兼容制造工艺，优化系统功耗，总系统功耗低于5.5 W。
• 利用微型LED与SPAD阵列的数字接口，为未来片上解码及通过多电平调制实现更高数据速率提供可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成、低SWaP的光通信系统能否仅通过CMOS集成的微型LED与SPAD阵列实现高数据速率与高灵敏度？
• RQ2 与非归零（NRZ）相比，RZ-OOK调制在SPAD基自由空间光通信链路中对BER性能的提升程度如何？
• RQ3 在最小化外部硬件的前提下，紧凑芯片级收发器系统的可实现灵敏度与数据速率是多少？
• RQ4 此类系统的功耗如何变化？能否针对低功耗平台进行优化？
• RQ5 该系统能否利用实际集成组件逼近光子探测的标准量子极限（SQL）？

主要发现

• 在100 Mb/s速率下，系统实现-55.2 dBm的接收灵敏度，对应每比特检测7.5个光子，比450 nm波长下的标准量子极限（SQL）高出13.42 dB。
• 在50 Mb/s速率下，系统灵敏度达-60.5 dBm，表明在较低数据速率下因减少定时抖动与ISI而性能更优。
• 系统总功耗为5.48 W，其中接收器FPGA为最大功耗源（3.45 W），表明存在显著优化潜力。
• 微型LED发射器生成全宽半最大值为3 ns的光学脉冲，支持高带宽运行，适用于100 Mb/s传输。
• SPAD阵列接收器展现出高动态范围并兼容数字信号处理，未来具备片上解码潜力，可进一步提升性能与可扩展性。
• 系统具备毫米级外形尺寸与低功耗特性，适用于卫星、无人机及便携式通信设备等低SWaP环境部署。