변조 역반사기

Modulating retro-reflector

변조 역반사기(MRR) 시스템은 광학 역반사기와 광학 변조기를 결합하여 광통신[1] 및 때로는 프로그램 가능한 신호와 같은 다른 기능을 허용한다.[2]

자유 공간 광통신 기술은 최근 몇 년간 기존의 무선 주파수(RF) 시스템의 매력적인 대안으로 부상하고 있다. 이러한 출현은 광학 및 근적외선 반송파 특성의 훨씬 짧은 파장의 고유 장점(RF를 통한)을 이용할 수 있는 레이저와 소형 광학 시스템의 성숙도가 증가하는 데 크게 기인한다.[1]

그림 1. 변조 [1]역반사기 기술 개요
  • 더 큰 대역폭
  • 절편 확률 낮음
  • 간섭 또는 방해에 대한 내성
  • 주파수 스펙트럼 할당 문제 완화
  • 소형, 경량, 저전력

기술

MRR은 변조된 광 신호를 광학 수신기나 트랜스시버에 직접 반사하기 위해 광학 역반사기를 변조기와 결합하거나 결합하여 MRR이 자체 광학전력을 방출하지 않고 광통신 소자로 기능할 수 있게 한다. 이를 통해 MRR은 상당한 온보드 전원 공급 장치 없이도 장거리에서 광학적으로 통신할 수 있다. 역반사 성분의 기능은 반사를 빛의 근원으로 또는 근원으로 되돌리는 것이다. 변조 구성 요소는 반사 강도를 변화시킨다. 이 아이디어는 레이저 기반의 데이터 통신뿐만 아니라 사람 관찰자 및 도로 표지판 등을 포함한 넓은 의미의 광통신에 적용된다. 기술의 수, 조사, 규격 구성 요소를 위해 개발된 작동 micromirrors을 포함한 전반사, 전기 광학의 조정자(EOMs), piezo-actuated deflectors,[3]여러 양자샘(MQW)devices,[4][5]과 액정 조정자 좌절할 때 제안되더라도 수많은 알려진 optica.나는 modulation 기술은 이론적으로 사용될 수 있다. 이러한 접근방식은 전력 사용, 속도, 변조 범위, 소형성, 역반사적 차이, 비용 및 기타 많은 특징과 관련하여 서로 상대적으로 많은 장점과 단점이 있다.

일반적인 광통신장치에서, 관련 전자장치를 가진 MRR은 편리한 플랫폼에 장착되고 전송될 데이터가 있는 호스트 컴퓨터에 연결된다. 일반적으로 레이저, 망원경 및 검출기로 구성된 원격 위치의 광 송신기/수신기 시스템은 변조 역반사기에 광 신호를 제공한다. 송신기 시스템에서 발생하는 입사광은 모두 MRR에 의해 변조되며 (역반사 특성을 통해) 송신기를 향해 직접 반사된다. 그림 1은 그 개념을 보여준다.[1]

미국 해군연구소(NRL)의 한 변조 역반사기는 링크 특성에 따라 최대 10Mbit/s까지 변조 속도가 가능한 반도체 기반 MQW 셔터를 사용한다. (2000년 11월에 수여된 미국 특허 번호 6,154,299의 "다중 양자 웰 기술을 사용한 역반사기 변조"를 참조하십시오.)[1]

이 기술의 광학적 특성은 전자파 주파수 할당과 관련된 문제에 민감하지 않은 통신을 제공한다. 다중 양자 웰 변조 역반사기는 소형, 경량, 그리고 매우 적은 전력을 필요로 한다는 추가적인 장점을 가지고 있다. 소배열 MRR은 등가 RF 시스템에 대해 소비 전력 절감의 최대 규모를 제공한다.[1] 그러나 MQW 변조기도 다른 기술에 비해 변조 범위가 상대적으로 작다.

1940년대로 거슬러 올라가는 변조 역반사기의 개념은 새로운 것이 아니다. 1993년[6] 제1차 MQW MRR의 실증 실험은 상당한 데이터 전송률을 달성하는 데 주목할 만했지만, 그러한 장치의 다양한 실증 실험은 수년에 걸쳐 구축되어 왔다. 그러나 MRR은 여전히 널리 사용되고 있지 않으며, 일반적으로 자유 공간 광통신 기술이 다소 전문화된 틈새 기술인 경향이 있기 때문에 그 분야의 대부분의 연구 개발은 오히려 탐색적 군사 응용에 국한되어 있다.

종종 MRR에서 바람직한 것으로 간주되는 품질은 높은 스위칭 속도, 낮은 전력 소비량, 넓은 면적, 넓은 시야, 높은 광학 품질을 포함한다. 또한 적절한 레이저 소스를 사용할 수 있는 특정 파장에서 기능해야 하며, 방사선 내성(비지상 응용의 경우)이어야 하며, 견고해야 한다. 예를 들어, 기계식 셔터와 강전 액정(FLC) 장치는 너무 느리거나 무겁거나 또는 많은 용도로 사용할 수 있을 만큼 견고하지 않다. 일부 변조 역반사 시스템은 초당 메가비트(Mbit/s)의 데이터 전송 속도 및 설치 외 및 공간 내 설치 특성의 높은 온도 범위 이상에서 작동하고자 한다.

다중 양자 웰 변조기

반도체 MQW 변조기는 미국 해군 애플리케이션에 필요한 모든 요건을 충족하는 몇 안 되는 기술 중 하나이며, 결과적으로 해군 연구소는 특히 그 접근법을 개발하고 촉진하는 데 적극적이다. 셔터로 사용할 때 MQW 기술은 견고한 솔리드 스테이트, 저전압(20mV 미만)과 저전력(밀리와트 tens)에서 작동하며 매우 높은 스위칭 속도를 낼 수 있다는 많은 장점을 제공한다. MQW 변조기는 광섬유 애플리케이션에서 Gbit/s 데이터 전송 속도로 실행되었다.[1]

중간(~15V) 전압을 역방향으로 셔터 전체에 배치하면 흡수 기능이 변화해 더 긴 파장으로 이동하며 크기가 떨어진다. 따라서 이 흡수 기능 근처의 장치의 전송은 극적으로 변화하여 신호가 반송파 질문 빔에 온-오프-키잉 형식으로 인코딩될 수 있다.[1]

이 모듈레이터는 AlGaAs 장벽에 둘러싸인 75개의 InGaAs 유정들로 구성되어 있다. 이 장치는 n형 GaAs 웨이퍼에서 성장하며 p형 접촉층에 의해 캡을 씌워 PIN 다이오드를 형성한다. 이 장치는 980 nm의 파장에서 작동하도록 설계된 투과 변조기로, 많은 좋은 레이저 다이오드 소스와 호환된다. 이 재료들은 반사 구조에서 작동하는 매우 좋은 성능을 가지고 있다. 모듈레이터 유형과 구성 아키텍처의 선택은 애플리케이션에 의존한다.[1]

웨이퍼가 크면 식각과 야금화 단계로 구성된 다단계 광석학 공정을 이용해 개별 기기로 가공된다. NRL 실험 기기는 5mm 개구부를 가지고 있지만, 더 큰 기기는 설계 및 개발되고 있다. 지금까지 MQW 변조기를 여러 응용 분야에서 사용해 왔지만, 이렇게 큰 크기의 변조기는 흔치 않고 특별한 제작 기법이 필요하다는 점을 지적하는 것이 중요하다.[1]

MQW 변조기는 원래 조용한 장치로, 인가된 전압을 변조된 파형으로 정확하게 재현한다. 중요한 매개변수는 Imax/I로min 정의되는 대비 비율이다. 이 매개변수는 전체 신호 대 잡음 비에 영향을 미친다. 그것의 크기는 장치에 가해지는 구동 전압과 익시톤 피크에 상대적인 질문 레이저의 파장에 따라 달라진다. 대비 비율은 포화 값에 도달할 때까지 전압이 상승함에 따라 증가한다. 일반적으로 NRL에서 제작된 변조기는 구조에 따라 10V에서 25V 사이의 인가 전압에 대해 대조비가 1.75:1에서 4:1 사이였다.[1]

주어진 기기의 제조와 제조에는 세 가지 중요한 고려사항이 있다:[1] 고유 최대 변조 속도 대 조리개 크기, 전력 소비량 대 조리개 크기 및 수율.

고유 최대 변조 속도 vs. 애퍼처 크기

모듈레이터의 스위칭 속도의 기본 한계는 저항 캐패시턴스 한계다. 키 트레이드오프는 모듈레이터의 영역과 투명 개구부의 영역이다. 변조기 영역이 작을 경우 캐패시턴스가 작기 때문에 변조 속도가 더 빨라질 수 있다. 그러나, 수백 미터 순서로 더 긴 적용 범위를 위해서는 링크를 닫기 위해 더 큰 개구부가 필요하다. 주어진 모듈레이터의 경우, 셔터 속도는 모듈레이터 직경의 제곱과 반비례한다.[1]

전력 소비량 vs. 애퍼처 크기

구동 전압 파형이 최적화되면 MQW 변조 역반사기의 전력 소비량은 다음과 같이 변화한다.

Dmod4 * V2 B2 Rs

여기서 D는mod 모듈레이터의 직경이고, V는 모듈레이터에 인가되는 전압(필요한 광학 대비비로 고정), B는 장치의 최대 데이터 속도, R은S 장치의 시트 저항이다. 따라서 MQW 셔터의 직경을 늘리면 큰 전력 위약금이 부과될 수 있다.[1]

양보

MQW 장치는 높은 역방향 바이어스 필드에서 작동해야 좋은 대비율을 얻을 수 있다. 완벽한 양자 우물 재료에서는 이것이 문제가 되지 않지만 반도체 결정의 결함으로 인해 장치가 작동에 필요한 전압 이하의 전압에서 분해될 수 있다. 특히 결함은 PIN 다이오드의 내적 영역에 걸쳐 필요한 전기장의 개발을 방해하는 전기적 단락을 야기할 것이다. 장치가 클수록 그러한 결함의 확률이 높아진다. 따라서 대형 일체형 기기의 제조에 결함이 발생하면 셔터 전체가 손실된다.[1]

이러한 문제를 해결하기 위해 NRL은 단일 변조기뿐만 아니라 분할된 장치를 설계 및 제작했다. 즉, 주어진 모듈레이터는 각각 동일한 신호로 구동되는 여러 세그먼트로 "픽셀화"될 수 있다. 이 기법은 속도가 더 큰 구멍뿐만 아니라 달성될 수 있다는 것을 의미한다. "픽셀화"는 장치의 시트 저항을 본질적으로 감소시켜 저항 캐패시턴스 시간을 줄이고 전력 소비를 줄인다. 예를 들어 1cm 단색 장치는 하나의 Mbit/s 링크를 지원하는데 400mW가 필요할 수 있다. 유사한 9개 세그먼트 기기는 동일한 전체 유효 개구부로 동일한 링크를 지원하려면 45mW가 필요하다. 전체 지름이 0.5cm인 9개의 "픽셀"을 가진 전송 장치가 10 Mbit/s 이상을 지원하는 것으로 나타났다.[1]

이 제작 기법은 더 빠른 속도, 더 큰 조리개, 그리고 수율 증가를 가능하게 한다. 하나의 "픽셀"이 결함으로 인해 손실되었지만 9 또는 16 중 하나라면, 링크를 닫기 위해 필요한 신호 대 잡음 제공에 필요한 대비율은 여전히 높다. 장치의 본드 와이어 관리, 다중 세그먼트 주행, 온도 안정화 등 분할된 장치의 제작을 더욱 복잡하게 만드는 고려사항이 있다.[1]

모듈레이터의 또 다른 중요한 특징은 광학 파동전선의 품질이다. 모듈레이터가 빔에 이상을 일으키면 반환된 광학 신호가 감쇠되고 링크를 닫을 수 있는 조명이 불충분할 수 있다.[1]

응용[1] 프로그램

  • 지상 대 공중 통신
  • 지상 대 위성 통신
  • 내부 전자 버스 상호 작용/통신
  • 사내, 사내 커뮤니케이션
  • 차량 간 통신
  • 공업 제조

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s "Modulating Retro Reflector for Free Space Optical Data Transfer using Multiple Quantum Well Technology". Archived from the original on 2008-10-26. Retrieved 2008-05-08.
  2. ^ Coope, Robin J. N.; Whitehead, Lorne A.; Kotlicki, Andrzej (2002-09-01). "Modulation of retroreflection by controlled frustration of total internal reflection". Applied Optics. The Optical Society. 41 (25): 5357-5361. doi:10.1364/ao.41.005357. ISSN 0003-6935.
  3. ^ Rabedeau, M. E. (1969). "Switchable Total Internal Reflection Light Deflector". IBM Journal of Research and Development. IBM. 13 (2): 179–183. doi:10.1147/rd.132.0179. ISSN 0018-8646.
  4. ^ http://www.nrl.navy.mil/fpco/publications/2000United%20States%20Patent_%206,154,299.pdf
  5. ^ 드럼: 항목 1903/6807[영구적 데드링크]
  6. ^ Fritz, I. J.; Brennan, T. M.; Hammons, B. E.; Howard, A. J.; Worobey, W.; Vawter, G. A.; Myers, D. R. (1993-07-26). "Low‐voltage vertical‐cavity transmission modulator for 1.06 μm". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 63 (4): 494–496. doi:10.1063/1.109983. ISSN 0003-6951.