Модулирующий светоотражатель

Система модулирующего ретрорефлектора ( MRR ) сочетает в себе оптический ретрорефлектор и оптический модулятор для обеспечения оптической связи. ^[1] а иногда и другие функции, такие как программируемые вывески. ^[2]

В последние годы технология оптической связи в открытом космосе стала привлекательной альтернативой традиционным радиочастотным (РЧ) системам. Это появление во многом связано с растущей зрелостью лазеров и компактных оптических систем, которые позволяют использовать присущие преимущества (по сравнению с RF) гораздо более коротких длин волн, характерных для оптических и ближних инфракрасных несущих: ^[1]

Большая пропускная способность
Низкая вероятность перехвата
Защищенность от помех и глушения
Решение проблемы распределения частотного спектра
Меньше, легче, меньшая мощность

Технология

MRR соединяет или объединяет оптический ретрорефлектор с модулятором для отражения модулированных оптических сигналов непосредственно обратно в оптический приемник или приемопередатчик, что позволяет MRR функционировать как устройство оптической связи, не излучая собственную оптическую мощность. Это может позволить MRR осуществлять оптическую связь на большие расстояния без необходимости использования значительных бортовых источников питания. Функция световозвращающего компонента заключается в том, чтобы направить отражение обратно к источнику света или рядом с ним. Компонент модуляции изменяет интенсивность отражения. Эта идея применима к оптической связи в широком смысле, включая не только передачу данных на основе лазеров, но также людей-наблюдателей и дорожные знаки. Для компонента модуляции был предложен, исследован и разработан ряд технологий, включая активируемые микрозеркала, нарушение полного внутреннего отражения , электрооптические модуляторы (ЭОМ), пьезоактивируемые дефлекторы, ^[3] устройства с несколькими квантовыми ямами (MQW), ^[4]^[5] и жидкокристаллические модуляторы, хотя теоретически можно использовать любую из многочисленных известных технологий оптической модуляции. Эти подходы имеют множество преимуществ и недостатков по отношению друг к другу в отношении таких характеристик, как энергопотребление, скорость, диапазон модуляции, компактность, расходимость световозвращения, стоимость и многие другие.

В типичной системе оптической связи MRR с соответствующей электроникой монтируется на удобной платформе и подключается к главному компьютеру, на котором хранятся данные, подлежащие передаче. Удаленно расположенная оптическая система передатчика/приемника, обычно состоящая из лазера, телескопа и детектора, передает оптический сигнал на модулирующий ретроотражатель. Падающий свет от системы передатчика модулируется MRR и отражается непосредственно обратно к передатчику (за счет свойства световозвращения). Рисунок 1 иллюстрирует эту концепцию. ^[1]

В одном модулирующем ретрорефлекторе в Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) в США используется затвор MQW на полупроводниковой основе, способный обеспечивать скорость модуляции до 10 Мбит/с, в зависимости от характеристик линии связи. (См. «Модуляция ретроотражателя с использованием технологии множественных квантовых ям», патент США № 6,154,299, выданный в ноябре 2000 г.) ^[1]

Оптическая природа технологии обеспечивает связь, не подверженную проблемам, связанным с распределением электромагнитных частот . Ретроотражатель с модуляцией нескольких квантовых ям имеет дополнительные преимущества: он компактен, легок и требует очень мало энергии. MRR с малой решеткой обеспечивает экономию потребляемой мощности на порядок по сравнению с эквивалентной радиочастотной системой. ^[1] Однако модуляторы MQW также имеют относительно небольшой диапазон модуляции по сравнению с другими технологиями.

Идея модулирующего светоотражателя не нова, она возникла еще в 1940-х годах. На протяжении многих лет были построены различные демонстрации таких устройств, хотя демонстрация первого MQW MRR в 1993 году ^[6] отличался достижением значительной скорости передачи данных. Однако MRR до сих пор не получили широкого распространения, и большинство исследований и разработок в этой области ограничиваются скорее исследовательскими военными применениями, поскольку оптическая связь в свободном пространстве в целом имеет тенденцию быть довольно специализированной нишевой технологией.

Качества, которые часто считаются желательными в MRR (очевидно, в зависимости от применения), включают высокую скорость переключения, низкое энергопотребление, большую площадь, широкое поле зрения и высокое оптическое качество. Он также должен функционировать на определенных длинах волн, где доступны соответствующие лазерные источники, быть устойчивым к радиации (для неземных применений) и быть прочным. Например, механические затворы и сегнетоэлектрические жидкокристаллические устройства (FLC) слишком медленны, тяжелы или недостаточно надежны для многих применений. Желательно, чтобы некоторые системы модулирующих ретрорефлекторов работали со скоростью передачи данных мегабит в секунду (Мбит/с) и выше и в больших температурных диапазонах, характерных для установки на открытом воздухе и в космосе.

Множественные модуляторы квантовых ям

Полупроводниковые модуляторы MQW являются одной из немногих технологий, которые отвечают всем требованиям, предъявляемым к приложениям ВМС США, и, следовательно, Военно-морская исследовательская лаборатория особенно активно занимается разработкой и продвижением этого подхода. При использовании в качестве затвора технология MQW дает множество преимуществ: она надежна в полупроводниковом состоянии, работает при низких напряжениях (менее 20 мВ) и малой мощности (десятки милливатт) и способна обеспечивать очень высокие скорости переключения. Модуляторы MQW используются со скоростью передачи данных Гбит/с в оптоволоконных приложениях. ^[1]

Когда на затвор подается умеренное (~ 15 В) напряжение в обратном смещении, характеристика поглощения меняется, смещаясь в сторону более длинных волн и падая по величине. Таким образом, передача устройства вблизи этой особенности поглощения резко меняется, позволяя кодировать сигнал в формате включения-выключения на луче опроса несущей. ^[1]

Этот модулятор состоит из 75 периодов ям InGaAs, окруженных барьерами AlGaAs. Устройство выращено на пластине GaAs n-типа и покрыто контактным слоем p-типа, образуя PIN-диод . Это устройство представляет собой пропускающий модулятор, предназначенный для работы на длине волны 980 нм и совместимый со многими хорошими источниками лазерных диодов. Эти материалы имеют очень хорошие характеристики при работе в отражающих архитектурах. Выбор типа модулятора и архитектуры конфигурации зависит от приложения. ^[1]

После выращивания из пластины изготавливают отдельные устройства с помощью многоэтапного процесса фотолитографии, состоящего из этапов травления и металлизации. Экспериментальные устройства NRL имеют апертуру 5 мм, хотя возможны устройства большего размера, которые проектируются и разрабатываются. Важно отметить, что, хотя модуляторы MQW до сих пор используются во многих приложениях, модуляторы такого большого размера встречаются редко и требуют специальных технологий изготовления. ^[1]

Модуляторы MQW по своей сути являются бесшумными устройствами, точно воспроизводящими приложенное напряжение в виде модулированного сигнала. Важным параметром является коэффициент контрастности, определяемый как I _max /I _min . Этот параметр влияет на общее соотношение сигнал/шум. Его величина зависит от напряжения возбуждения, приложенного к устройству, и длины волны опрашивающего лазера относительно пика экситона . Коэффициент контрастности увеличивается по мере увеличения напряжения, пока не будет достигнуто значение насыщения. Обычно модуляторы, изготовленные в NRL, имеют коэффициент контрастности от 1,75:1 до 4:1 для приложенного напряжения от 10 В до 25 В, в зависимости от конструкции. ^[1]

При изготовлении данного устройства необходимо учитывать три важных фактора: собственная максимальная скорость модуляции в зависимости от размера апертуры; потребление электроэнергии в зависимости от размера апертуры; и урожайность. ^[1]

Собственная максимальная скорость модуляции в зависимости от размера апертуры

Фундаментальным ограничением скорости переключения модулятора является предел сопротивления-емкости. Ключевым компромиссом является площадь модулятора и площадь открытой апертуры. Если площадь модулятора мала, емкость мала, следовательно, скорость модуляции может быть выше. Однако для больших дальностей применения, порядка нескольких сотен метров, для замыкания линии связи необходимы большие апертуры. Для данного модулятора скорость затвора обратно пропорциональна квадрату диаметра модулятора. ^[1]

Потребление электроэнергии в зависимости от размера апертуры

Когда форма напряжения возбуждения оптимизирована, потребление электроэнергии модулирующим ретроотражателем MQW изменяется следующим образом:

D _мод⁴ * V ² Б ² Р _с

Где D _mod — диаметр модулятора, V — напряжение, приложенное к модулятору (фиксируемое требуемым коэффициентом оптической контрастности), B — максимальная скорость передачи данных устройства, а R _S — поверхностное сопротивление устройства. Таким образом, за увеличение диаметра затвора MQW можно заплатить большую потерю мощности. ^[1]

Урожай

Устройства MQW должны работать в сильных полях обратного смещения для достижения хорошего коэффициента контрастности. В идеальном материале с квантовой ямой это не проблема, но наличие дефекта в полупроводниковом кристалле может привести к выходу устройства из строя при напряжениях ниже необходимых для работы. В частности, дефект вызовет короткое замыкание, которое препятствует развитию необходимого электрического поля во внутренней области PIN-диода. Чем больше устройство, тем выше вероятность такого дефекта. Таким образом, при возникновении дефекта при изготовлении крупного монолитного устройства теряется весь затвор. ^[1]

Для решения этих проблем компания NRL разработала и изготовила сегментированные устройства, а также монолитные модуляторы. То есть данный модулятор может быть «разбит» на несколько сегментов, каждый из которых управляется одним и тем же сигналом. Этот метод означает, что можно достичь как скорости, так и большей апертуры. «Пикселлизация» по своей сути снижает поверхностное сопротивление устройства, уменьшая время сопротивления-емкости и снижая потребление электроэнергии. Например, монолитному устройству размером один сантиметр может потребоваться 400 мВт для поддержки канала со скоростью один Мбит/с. Аналогичному девятисегментному устройству потребуется 45 мВт для поддержки того же канала с той же общей эффективной апертурой. Было показано, что передающее устройство с девятью «пикселями» общим диаметром 0,5 см поддерживает скорость более 10 Мбит/с. ^[1]

Эта технология изготовления позволяет добиться более высоких скоростей, большей апертуры и увеличения выхода продукции. Если один «пиксель» потерян из-за дефектов, но имеет один из девяти или шестнадцати, коэффициент контрастности, необходимый для обеспечения необходимого соотношения сигнал/шум для закрытия соединения, все еще высок. Существуют факторы, которые усложняют изготовление сегментированного устройства, включая управление соединительными проводами на устройстве, управление несколькими сегментами и стабилизацию температуры. ^[1]

Дополнительной важной характеристикой модулятора является качество оптического волнового фронта. Если модулятор вызывает аберрации луча, отраженный оптический сигнал будет ослаблен, и света может быть недостаточно для замыкания линии связи. ^[1]

Приложения

Системы MMR используются в: ^[1]

Связь «земля-воздух»
Земля-спутниковая связь
Взаимодействие/коммуникация внутренней электронной шины
Интер, Внутриофисные коммуникации
Связь между транспортными средствами
Промышленное производство

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с «Модулирующий ретро-отражатель для оптической передачи данных в свободном пространстве с использованием технологии множественных квантовых ям» . Архивировано из оригинала 26 октября 2008 г. Проверено 8 мая 2008 г.
^ Куп, Робин Дж. Н.; Уайтхед, Лорн А.; Котлицкий, Анджей (1 сентября 2002 г.). «Модуляция светорефлексии путем контролируемого расстройства полного внутреннего отражения». Прикладная оптика . 41 (25). Оптическое общество: 5357–5361. Бибкод : 2002ApOpt..41.5357C . дои : 10.1364/ao.41.005357 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 12211564 .
^ Рабедо, Мэн (1969). «Переключаемый светоотражатель с полным внутренним отражением». Журнал исследований и разработок IBM . 13 (2). ИБМ: 179–183. дои : 10.1147/rd.132.0179 . ISSN 0018-8646 .
^ http://www.nrl.navy.mil/fpco/publications/2000United%20States%20Patent_%206,154,299.pdf ^{[ мертвая ссылка ]}
^ БАРАБАН: Артикул 1903/6807. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Фриц, Эй Джей; Бреннан, ТМ; Хэммонс, Бельгия; Ховард, Эй Джей; Воробей, В.; Ваутер, Джорджия; Майерс, доктор медицинских наук (26 июля 1993 г.). «Низковольтный модулятор передачи с вертикальным резонатором на 1,06 мкм». Письма по прикладной физике . 63 (4). Издательство АИП: 494–496. дои : 10.1063/1.109983 . ISSN 0003-6951 .

[NRL_Ref_1-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с «Модулирующий ретро-отражатель для оптической передачи данных в свободном пространстве с использованием технологии множественных квантовых ям» . Архивировано из оригинала 26 октября 2008 г. Проверено 8 мая 2008 г.

[2] Куп, Робин Дж. Н.; Уайтхед, Лорн А.; Котлицкий, Анджей (1 сентября 2002 г.). «Модуляция светорефлексии путем контролируемого расстройства полного внутреннего отражения». Прикладная оптика . 41 (25). Оптическое общество: 5357–5361. Бибкод : 2002ApOpt..41.5357C . дои : 10.1364/ao.41.005357 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 12211564 .

[3] Рабедо, Мэн (1969). «Переключаемый светоотражатель с полным внутренним отражением». Журнал исследований и разработок IBM . 13 (2). ИБМ: 179–183. дои : 10.1147/rd.132.0179 . ISSN 0018-8646 .

[4] ttp://www.nrl.navy.mil/fpco/publications/2000United%20States%20Patent_%206,154,299.pdf ^{[ мертвая ссылка ]}

[5] БАРАБАН: Артикул 1903/6807. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[6] Фриц, Эй Джей; Бреннан, ТМ; Хэммонс, Бельгия; Ховард, Эй Джей; Воробей, В.; Ваутер, Джорджия; Майерс, доктор медицинских наук (26 июля 1993 г.). «Низковольтный модулятор передачи с вертикальным резонатором на 1,06 мкм». Письма по прикладной физике . 63 (4). Издательство АИП: 494–496. дои : 10.1063/1.109983 . ISSN 0003-6951 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]