Modulando retro-reflector - Modulating retro-reflector

Uma modulação reflector sistema (MRR) combina uma óptico reflector e um modulador óptico para permitir a comunicação óptica e, por vezes, outras funções, tais como sinalização programáveis.

Espaço livre tecnologia de comunicação óptica emergiu nos últimos anos como uma alternativa atraente para os convencional frequência de rádio sistemas (RF). Essa emergência é devido em grande parte à crescente maturidade dos lasers e sistemas ópticos compactos que permitem a exploração das vantagens inerentes (mais de RF) do muito mais curto comprimentos de onda característicos de portadores ópticos e do infravermelho próximo:

Fig 1. Modulação reflector Visão geral da tecnologia.

• maior largura de banda
• Baixa probabilidade de interceptação
• Imunidade de interferência ou obstrução
• espectro de frequência alívio problema de alocação
• Menor e mais leve, de potência inferior

Tecnologia

Um casais MRR ou combina um retrorefletor óptico com um modulador para refletir sinais ópticos modulados diretamente para um receptor óptico ou transceptor, permitindo que o MRR funcionar como um dispositivo de comunicação óptica sem emitir a sua própria potência óptica. Isso pode permitir que o MRR para comunicar opticamente a longas distâncias sem a necessidade de fontes de energia substanciais de bordo. A função do componente retrorreflexão é direcionar a reflexão de volta ou perto da fonte de luz. O componente de modulação altera a intensidade da reflexão. A ideia se aplica a comunicação óptica em um sentido amplo, incluindo não só as comunicações de dados baseados em laser, mas também observadores humanos e sinais de trânsito. Um certo número de tecnologias têm sido propostos, investigada, e desenvolvido para o componente de modulação, incluindo micro-espelhos accionados, frustrado reflexão total interna , moduladores electro-óptica (MOE), deflectores accionado-piezo, bem quânticos múltiplos dispositivos (MQW) e cristais líquidos moduladores, embora qualquer uma das várias tecnologias conhecidas de modulação óptica poderia ser usado em teoria. Estas abordagens têm muitas vantagens e desvantagens em relação à outra no que diz respeito a características tais como o consumo de energia, a velocidade, a gama de modulação, compacidade, divergência retroreflexão, custo, e muitos outros.

Num arranjo típico de comunicações ópticas, o MRR com os componentes electrónicos relacionados é montado sobre uma plataforma conveniente e ligada a um computador hospedeiro que tem os dados que são para ser transferidos. Um sistema de transmissor / receptor óptico remotamente localizado geralmente constituído por um laser, telescópio, e o detector fornece um sinal óptico para o retro-reflector de modulao. A luz incidente a partir do sistema de transmissor é tanto modulados pelo MRR e reflectida directamente de volta para o transmissor (por meio da propriedade retroreflexão). A Figura 1 ilustra o conceito.

Uma modulação retro-reflector no Naval Research Laboratory (NRL) nos Estados Unidos, utiliza um semicondutor baseado MQW obturador capaz de modulação taxas até 10 Mbit / s, dependendo das características de ligação. (Veja "modulação reflector Usando múltipla Bem Quantum Tecnologia", patente US No. 6.154.299, concedido novembro de 2000.)

A natureza óptica da tecnologia fornece comunicações que não são suscetíveis a questões relacionadas com a eletromagnética atribuição de frequências . O quantum múltipla bem modulação reflector tem as vantagens de ser compacto, leve, e requer muito pouca energia. O pequeno-array MRR fornece até uma ordem de magnitude na economia de energia consumidos ao longo de um sistema de RF equivalente. No entanto, os moduladores MQW também têm relativamente pequenos intervalos de modulação em comparação com outras tecnologias.

O conceito de um reflector modulação não é novo, que remonta à década de 1940. Várias demonstrações de tais dispositivos têm sido construída ao longo dos anos, embora a demonstração do primeiro MQW MRR em 1993 foi notável em alcançar velocidades de dados significativos. No entanto, MRRS ainda não são amplamente utilizados, e mais pesquisa e desenvolvimento nessa área se limita a aplicações militares, em vez exploratórias, como comunicações ópticas de espaço livre em geral tende a ser uma tecnologia de nicho bastante especializado.

Qualidades muitas vezes considerado desejável em MRRS (obviamente, dependendo da aplicação) incluem uma elevada velocidade de comutação, baixo consumo de energia, grande área, campo de visão de largura, e de alta qualidade óptica. Ele também deve funcionar a certos comprimentos de onda em que fontes de laser apropriados estão disponíveis, ser tolerante à radiação (para aplicações não-terrestres), e ser robusto. obturadores mecânicos e dispositivos ferroelétricos de cristal líquido (FLC), por exemplo, são muito lento, pesado, ou não são robustos o suficiente para muitas aplicações. Alguns sistemas de retro-reflector de modulao são desejados para funcionar a taxas de dados de megabits por segundo (Mbit / s) e superior e sobre a grande gamas de temperatura característica da instalação para fora-de-portas e no espaço.

Vários poço quântico moduladores

moduladores Semiconductor MQW são uma das poucas tecnologias que atendam todos os requisitos precisa para aplicações Marinha dos Estados Unidos, e, consequentemente, do Laboratório de Pesquisa Naval é particularmente ativa no desenvolvimento e promoção dessa abordagem. Quando utilizado como um obturador, tecnologia MQW oferece muitas vantagens: é de estado sólido robusto, opera a baixas tensões (inferior a 20 mV) e de baixa potência (dezenas de miliWatts), e é capaz de velocidades muito elevadas de comutação. moduladores MQW ter sido executado a taxas de dados Gbit / s em aplicações de fibras ópticas.

Quando um (~ 15V) tensão moderada é colocado entre o obturador em polarização inversa, as alterações de recursos absorção, mudando para comprimentos de onda mais longos e deixar cair em magnitude. Assim, a transmissão do dispositivo de perto esta característica de absorção muda drasticamente, permitindo que um sinal pode ser codificado em um on-off-keying formato para o feixe de interrogação transportador.

Este modulador consiste de 75 poços de períodos de InGaAs cercadas por barreiras AlGaAs. O dispositivo é produzido numa pastilha de n-tipo GaAs e é tapado por uma camada de contacto do tipo P, formando, assim, um díodo PIN . Este dispositivo é um modulador do transmissor concebido para funcionar a um comprimento de onda de 980 nm, compatível com muitas boas fontes de díodo laser. Estes materiais têm muito bom desempenho operacional em arquiteturas de reflexão. Escolha do tipo de modulador e arquitectura configuração é dependente da aplicação.

Uma vez crescidas, a bolacha é fabricado em dispositivos discretos, utilizando um multi-passo fotolitografia processo que consiste em etapas de decapagem e metalização. Os dispositivos experimentais NRL tem uma abertura de 5 mm, embora os dispositivos maiores são possíveis e estão a ser concebidos e desenvolvidos. É importante salientar que, embora moduladores MQW foram usados em muitas aplicações até à data, moduladores de um tamanho tão grande são raras e requerem técnicas especiais de fabricação.

Moduladores MQW são dispositivos inerentemente tranquilas, reproduzir com precisão a tensão aplicada como uma forma de onda modulada. Um parâmetro importante é a relação de contraste, definido como I _max / I _min . Este parâmetro afeta o rácio global de sinal-ruído. Sua magnitude depende da tensão de accionamento aplicada ao dispositivo e o comprimento de onda do laser de interrogao em relao ao éxciton pico. A razão de contraste aumenta à medida que a tensão aumenta até um valor de saturação é atingida. Tipicamente, os moduladores fabricadas em NRL tiveram taxas de contraste entre 1,75: 1 a 4: 1 para voltagens aplicadas entre 10 V e 25 V, dependendo da estrutura.

Existem três considerações importantes no fabrico e na fabricação de um determinado dispositivo: taxa de modulação máxima inerente vs tamanho da abertura; consumo de energia eléctrica vs tamanho da abertura; e rendimento.

Inerente máxima Modulação Taxa vs. Aperture Size

O limite fundamental na velocidade de comutação do modulador é o limite de resistência-capacidade. Uma desvantagem importante é a área do modulador versus área da abertura claro. Se a área de modulador é pequeno, a capacitância é pequena, por conseguinte, a taxa de modulação pode ser mais rápido. No entanto, para as gamas de aplicação mais longos da ordem de várias centenas de metros, aberturas maiores são necessários para fechar a ligação. Para um dado modulador, a velocidade do obturador escalas inversamente com o quadrado do diâmetro do modulador.

Consumo de energia elétrica vs. Aperture Size

Quando a forma de onda de tensão unidade é optimizado, o consumo de energia eléctrica de uma modulação MQW reflector varia como:

D _mod ⁴ * V ² B ² R _s

Quando D _{modificação} é o diâmetro do modulador, V é a voltagem aplicada ao modulador (fixo pela relação de contraste óptico exigido), B é a taxa máxima de dados do dispositivo, e R _S é a resistência de folha do dispositivo. Assim, uma grande penalidade de potência pode ser pago para aumentar o diâmetro do obturador MQW.

Produção

dispositivos MQW deve ser operada a altas campos de polarização inversa, para atingir boas taxas de contraste. Em perfeito material de poço quântico isto não é um problema, mas a presença de um defeito no cristal semicondutor pode fazer com que o dispositivo para quebrar a voltagens abaixo do necessário para a operação. Especificamente, um defeito vai provocar um curto-circuito eléctrico que impede o desenvolvimento do campo eléctrico necessária entre a região intrínseca do diodo PIN. Quanto maior for o dispositivo quanto maior a probabilidade de um tal defeito. Assim, se ocorre um defeito na fabricação de um grande dispositivo monolítico, todo o obturador é perdido.

Para resolver estas questões, NRL foi concebido e fabricado dispositivos segmentados, bem como moduladores monolíticas. Isto é, um dado modulador pode ser "pixellated" em vários segmentos, cada um conduzido com o mesmo sinal. Esta técnica significa que a velocidade pode ser alcançado, bem como aberturas de maiores dimensões. O "pixellization" inerentemente reduz a resistência de folha do dispositivo, diminuindo o tempo de resistência-capacidade e reduzir o consumo de energia eléctrica. Por exemplo, um dispositivo monolítico um centímetro pode exigir 400 mW para apoiar a / s link de uma Mbit. Um dispositivo de nove segmentado semelhante exigiria 45 mW para suportar a mesma ligação com a mesma abertura eficaz global. Um dispositivo transmissiva com nove "pixels", com um diâmetro global de 0,5 cm foi mostrado para apoiar mais de 10 Mbit / s.

Esta técnica de fabricação permite velocidades mais elevadas, aberturas maiores e maior rendimento. Se um único "pixel" é perdido devido a defeitos, mas é um dos nove ou dezesseis anos, a relação de contraste necessário para fornecer o ruído sinal-requisito para fechar uma ligação ainda é alta. Existem considerações que tornam a fabricação de um dispositivo segmentado mais complicado, incluindo gestão de ligação dos fios do dispositivo, a condução múltiplos segmentos, e a estabilização da temperatura.

Uma característica importante adicional do modulador é a sua qualidade de frente de onda óptica. Se o modulador faz com que as aberrações no feixe, o sinal óptico devolvido será atenuado e luz insuficiente, podem estar presentes para fechar a ligação.

aplicações

• Terra-ar Communications
• Terra-Satellite Communications
• Interno Eletrônica Bus Interação / Comunicação
• Inter, Intra-Office Communications
• Veículo-veículo de comunicação
• Manufaturação industrial

Veja também

• comunicações ópticas de espaço livre
• Comunicações ópticas
• Reflector

Referências