Модулирующий светоотражатель - Modulating retro-reflector

А модулирующий светоотражатель (MRR) система сочетает в себе оптический светоотражатель и оптический модулятор, позволяющий оптическая связь[1] а иногда и другие функции, такие как программируемые вывески.[2]

В последние годы технология оптической связи в свободном пространстве стала привлекательной альтернативой традиционным технологиям. радиочастота (RF) системы. Это появление в значительной степени связано с возрастающей зрелостью лазеров и компактных оптических систем, которые позволяют использовать неотъемлемые преимущества (по сравнению с RF) гораздо более коротких длин волн, характерных для оптических и ближних инфракрасных носителей:[1]

Рис. 1. Обзор технологии модулирующего световозвращателя.[1]
  • Большая пропускная способность
  • Низкая вероятность перехвата
  • Невосприимчивость к помехам и глушениям
  • Устранение проблемы распределения частотного спектра
  • Меньше, легче, с меньшей мощностью

Технологии

MRR объединяет или объединяет оптический ретрорефлектор с модулятором для отражения модулированных оптических сигналов непосредственно обратно в оптический приемник или приемопередатчик, позволяя MRR функционировать как устройство оптической связи без излучения собственной оптической мощности. Это может позволить MRR оптически обмениваться данными на большие расстояния без необходимости использования значительных бортовых источников питания. Функция компонента световозвращения заключается в том, чтобы направить отражение назад к источнику света или рядом с ним. Компонент модуляции изменяет интенсивность отражения. Идея применима к оптической связи в широком смысле, включая не только лазерную передачу данных, но и людей-наблюдателей и дорожные знаки. Для модуляционного компонента был предложен, исследован и разработан ряд технологий, в том числе управляемые микрозеркала, нарушенные полное внутреннее отражение, электрооптические модуляторы (ЭОМ), пьезоэлектрические дефлекторы,[3] множественная квантовая яма (MQW) устройства,[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 использование мощности, скорость, диапазон модуляции, компактность, расходимость световозвращения, стоимость и многие другие.

В типичном устройстве оптической связи MRR с соответствующей электроникой устанавливается на удобной платформе и подключается к главному компьютеру, на котором хранятся данные, которые должны быть переданы. Удаленно расположенная оптическая система передатчика / приемника, обычно состоящая из лазера, телескопа и детектора, подает оптический сигнал на модулирующий ретроотражатель. Падающий свет от системы передатчика модулируется MRR и отражается прямо обратно к передатчику (благодаря свойству обратного отражения). Рисунок 1 иллюстрирует эту концепцию.[1]

Один модулирующий светоотражатель на Лаборатория военно-морских исследований (NRL) в США использует затвор MQW на основе полупроводника, способный модуляция скорость до 10 Мбит / с, в зависимости от характеристик канала. (См. «Модулирующий ретро-рефлектор с использованием технологии множественных квантовых ям», патент США № 6,154,299, выданный в ноябре 2000 г.)[1]

Оптическая природа технологии обеспечивает связь, которая не подвержена проблемам, связанным с электромагнитным излучением. распределение частот. Светоотражатель с множественной модуляцией квантовых ям обладает дополнительными преимуществами: он компактный, легкий и требует очень мало энергии. MRR с малым массивом обеспечивает экономию потребляемой мощности на порядок по сравнению с эквивалентной радиочастотной системой.[1] Однако модуляторы MQW также имеют относительно небольшие диапазоны модуляции по сравнению с другими технологиями.

Концепция модулирующего световозвращателя не нова, она восходит к 1940-м годам. За прошедшие годы были созданы различные демонстрации таких устройств, хотя демонстрация первого MQW MRR в 1993 г.[6] был примечателен достижением значительной скорости передачи данных. Тем не менее, MRR до сих пор широко не используются, и большая часть исследований и разработок в этой области ограничивается скорее исследовательскими военными приложениями, 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 приложения), включают высокую скорость переключения, низкое энергопотребление, большую площадь, широкое поле зрения и высокое оптическое качество. Он также должен работать на определенных длинах волн, если доступны соответствующие лазерные источники, быть радиационно-стойким (для не наземных приложений) и быть прочным. Например, механические затворы и устройства на сегнетоэлектрических жидких кристаллах (FLC) слишком медленные, тяжелые или недостаточно надежные для многих приложений. Некоторые модулирующие световозвращающие системы желательно работать со скоростью передачи данных мегабит в секунду (Мбит / с) и выше и в больших диапазонах температур, характерных для установки на открытом воздухе и в космосе.

Модуляторы множественных квантовых ям

Полупроводниковые модуляторы MQW - одна из немногих технологий, которые удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к ВМС США, и, следовательно, Военно-морская исследовательская лаборатория особенно активна в разработке и продвижении этого подхода. При использовании в качестве затвора технология MQW дает много преимуществ: она является прочным твердотельным элементом, работает при низких напряжениях (менее 20 мВ) и малой мощности (десятки милливатт), а также способна обеспечивать очень высокую скорость переключения. Модуляторы MQW работают на скоростях передачи данных в Гбит / с в волоконно-оптических приложениях.[1]

Когда умеренное (~ 15 В) напряжение подается на затвор при обратном смещении, характеристика поглощения изменяется, смещаясь в сторону более длинных волн и уменьшаясь по величине. Таким образом, передача устройства рядом с этой характеристикой поглощения резко меняется, что позволяет кодировать сигнал в формате включения-выключения на луч запроса несущей.[1]

Этот модулятор состоит из 75 периодов ям InGaAs, окруженных барьерами из AlGaAs. Устройство выращено на пластине GaAs n-типа и закрыто контактным слоем p-типа, образуя таким образом PIN-диод. Это устройство представляет собой пропускающий модулятор, предназначенный для работы на длине волны 980 нм, совместимый со многими хорошими источниками лазерных диодов. Эти материалы обладают очень хорошими характеристиками при работе с отражающими архитектурами. Выбор типа модулятора и архитектуры конфигурации зависит от приложения.[1]

После выращивания пластина превращается в дискретные устройства с использованием многоступенчатой фотолитография процесс, состоящий из этапов травления и металлизации. Экспериментальные устройства NRL имеют апертуру 5 мм, хотя возможны и более крупные устройства, которые разрабатываются и разрабатываются. Важно отметить, что, хотя модуляторы MQW используются во многих приложениях до настоящего времени, модуляторы таких больших размеров встречаются редко и требуют специальных технологий изготовления.[1]

Модуляторы MQW по своей сути бесшумные устройства, точно воспроизводящие приложенное напряжение в виде модулированной формы волны. Важным параметром является контрастность, определяемая как IМаксимум/Ямин. Этот параметр влияет на общее отношение сигнал / шум. Его величина зависит от управляющего напряжения, приложенного к устройству, и длины волны опрашивающего лазера относительно экситон вершина горы. Коэффициент контрастности увеличивается с повышением напряжения до достижения значения насыщения. Обычно модуляторы, изготовленные в NRL, имеют коэффициент контрастности от 1,75: 1 до 4: 1 для приложенных напряжений от 10 В до 25 В, в зависимости от конструкции.[1]

При изготовлении и изготовлении данного устройства необходимо учитывать три важных фактора: зависимость максимальной скорости модуляции от размера апертуры; потребление электроэнергии в зависимости от размера апертуры; и уступить.[1]

Собственная максимальная скорость модуляции в зависимости от размера апертуры

Основным ограничением скорости переключения модулятора является предел сопротивления-емкости. Ключевой компромисс между площадью модулятора и площадью прозрачной апертуры. Если площадь модулятора мала, емкость мала, следовательно, скорость модуляции может быть выше. Однако для более длинных диапазонов применения, порядка нескольких сотен метров, необходимы отверстия большего размера, чтобы закрыть линию связи. Для данного модулятора скорость затвора масштабируется обратно пропорционально квадрату диаметра модулятора.[1]

Энергопотребление в зависимости от размера апертуры

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

Dмод4 * V2 B2 рs

Где Dмод - диаметр модулятора, V - напряжение, подаваемое на модулятор (фиксированное требуемым коэффициентом оптического контраста), B - максимальная скорость передачи данных устройства, а RS это сопротивление листа устройства. Таким образом, за увеличение диаметра заслонки MQW может потребоваться большая потеря мощности.[1]

Урожай

Устройства MQW должны работать при высоких полях обратного смещения для достижения хороших коэффициентов контрастности. В идеальном материале с квантовыми ямами это не проблема, но наличие дефекта в кристалле полупроводника 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 крупнее устройство, тем выше вероятность такого дефекта. Таким образом, если при изготовлении большого монолитного устройства возникает брак, теряется вся заслонка.[1]

Для решения этих проблем 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 скорость может быть достигнута так же, как и большие отверстия. «Пикселизация» по своей сути снижает сопротивление листа устройства, уменьшая время сопротивления-емкости и уменьшая потребление электроэнергии. Например, монолитному устройству в один сантиметр может потребоваться 400 мВт для поддержки канала со скоростью 1 Мбит / с. Аналогичному девятисегментному устройству потребуется 45 мВт для поддержки той же линии связи с такой же общей эффективной апертурой. Было показано, что передающее устройство с девятью «пикселями» и общим диаметром 0,5 см поддерживает скорость более 10 Мбит / с.[1]

Эта технология изготовления обеспечивает более высокие скорости, большие отверстия и увеличенный выход продукции. Если один «пиксель» теряется из-за дефектов, но является одним из девяти или шестнадцати, коэффициент контрастности, необходимый для обеспечения необходимого отношения сигнал / шум для закрытия линии связи, все равно остается высоким. Существуют соображения, 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 в луче, возвращаемый оптический сигнал будет ослаблен, и может присутствовать недостаточное количество света для замыкания линии связи.[1]

Приложения[1]

  • Связь земля-воздух
  • Земля-спутниковая связь
  • Внутренняя электроника Взаимодействие с шиной / Связь
  • Межведомственные, внутриофисные коммуникации
  • Связь между автомобилями
  • Промышленное производство

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s «Модулирующий ретро-отражатель для передачи оптических данных в свободном пространстве с использованием технологии множественных квантовых ям». Архивировано из оригинал на 2008-10-26. Получено 2008-05-08.
  2. ^ Куп, Робин Дж. Н .; Уайтхед, Лорн А .; Котлицки, Анджей (01.09.2002). «Модуляция световозвращения путем контролируемого нарушения полного внутреннего отражения». Прикладная оптика. Оптическое общество. 41 (25): 5357-5361. Дои:10.1364 / ао.41.005357. ISSN  0003-6935.
  3. ^ Рабедо, М. Э. (1969). «Переключаемый светоотражатель полного внутреннего отражения». Журнал исследований и разработок IBM. IBM. 13 (2): 179–183. Дои:10.1147 / rd.132.0179. ISSN  0018-8646.
  4. ^ http://www.nrl.navy.mil/fpco/publications/2000United%20States%20Patent_%206,154,299.pdf
  5. ^ БАРАБАН: Арт. 1903/6807[постоянная мертвая ссылка ]
  6. ^ Fritz, I.J .; Brennan, T. M .; Hammons, B.E .; Howard, A.J .; Worobey, W .; Vawter, G.A .; Майерс, Д. Р. (1993-07-26). «Низковольтный передаточный модулятор с вертикальным резонатором для 1,06 мкм». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 63 (4): 494–496. Дои:10.1063/1.109983. ISSN  0003-6951.