Transcript 深宇宙通信への応用に向けた サブ・ガイガーモード光子検出器の開発

深宇宙通信への応用に向けた
サブ・ガイガーモード光子検出器の開発
片岡研究室 宮本義人
（学籍番号：5310A094-6）
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目次
1.
2.
3.
4.
5.
深宇宙通信について
サブ・ガイガーモード光子検出器について
光子検出器の性能評価結果
深宇宙通信の検証実験
まとめと今後の課題
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深宇宙通信のターゲット
 火星や、その他の惑星との通信
◦ 距離：> 4億km
◦ 光が本命
届く電力：
電波通信
波長：1cm（1.0×10-2 m）
送信電力：35W
データ転送速度：2.8 Mbits/s
送信機：直径3m、受信機：直径34m
2005年打ち上げ
送られた電力
PT
PR  2 2
L
赤外レーザー通信
赤外レーザー光：1um
電波：1cm
D. O. Caplan, ECOC 2009.
波長：1μm（1.0×10-6 m）
送信電力：5W
データ転送速度：46 Mbits/s
受信機：直径0.3m、受信機：5m 3
火星探査機マーズ・リコネッサンス・オービターに搭載されている
高解像度カメラ（HiRISE）により撮影された火星の画像
（NASAのホームページから抜粋）
地球への画像転送時間は約90分！
（＠電波通信）
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光検出方式の種類
D. O. Caplan, ECOC 2009.
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NASAが実施したデモ実験
超伝導素子（SSPD）光子検出器デモ
 1ビット転送に必要な光子数
• 0.5 photons/bit
 データ転送速度
• 781 Mbit/s
データ転送速度が非常に高い
極低温（~1.8K）にする必要がある
火星の画像を、約23秒間で転送可能
（電波だと約90分間）
Si APD光子検出器デモ（25アレー）
 1ビット転送に必要な光子数
• 0.47 photons/bit
 データ転送速度
• 188 Mbit/s
火星の画像を、約2分間で転送可能
（電波だと約90分間）
常温で動作可能、ジッターが短い
ワイヤー幅:100nm
波長変換をするため、消費電力が大きい、暗計数が大きい
Opt. Lett., 31, 444 (2006).
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動機
 衛星搭載のためには、性能だけではなく、様々なコストを考
える必要あり
– 低消費電力
– コンパクト
– ・・・
 InGaAs APD光子検出器に注目している
（波長感度：1.0um～1.6um）
低消費電力、コンパクト
暗電流が高い、アフターパルス確率が高い
hn
h e
光子到来を検知
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アクティブ・クエンチング方式
Break down
voltage
光子入射
InGaAs APD 印加電圧
InGaAs APD 印加電圧
サブ・ガイガーモードInGaAs APD光子検出器
サブ・ガイガーモード方式
時間
時間
アクティブ・クエンチング
サブ・ガイガーモード
発生キャリア数
○多い
×少ない
アフターパルス確率
暗計数率
×高い
○低い
低雑音電荷積分アンプ使用
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研究の目的
+HV（0V～59.205V）
－80℃冷却
整形アンプ
1550nm
e-
電荷積分アンプ
カウンター
ディスクリミネーター
サブ・ガイガーモード光子検出器
InGaAs APD
低暗計数率・低アフターパルス
低消費電力
ペルチェ素子で冷却可能
シンプルな系
•低コストな深宇宙通信システムを開発したい
•深宇宙通信のデータ転送速度を向上させたい
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Afterpulse probability
Counts / 10000s
Detection efficiency
光子検出器の性能評価
Dark count rate [Hz]
暗計数率DC：5.6Hz
（@検出効率DE：0.21%）
Time [us]
ジッター：3.3ns RMS
Time [us]
アフターパルス確率
4.0%（τd=0us）
1.0%（τd=0.4us）
波長変換型
Si APD
（25アレ－）
アクティブ・クエンチング
InGaAs APD
（1アレー）
サブ・ガイガーモード
InGaAs APD
（1アレー）
暗計数率
（DC）
10kHz/アレー？
（@DE：7.6%）
428kHz
（@DE：28%）
5.6Hz
（@DE：0.21%）
ジッター
（J）
0.21ns RMS
< 0.85 ns RMS
3.3 ns RMS
アフターパルス
-
8.0%(τd=24us)
1.0%(τd=32us)
4.0%(τd=0us)
1.0%(τd=0.41us)
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深宇宙通信のフォーマット
オンオフ変調（OOK）通信
光量
パルスポジション変調（PPM）通信
1ビットを検出するのに必要な
光子数を減らすことができる
時間
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サブ・ガイガーモードInGaAs APD
光子検出器デモ
ビットエラーレート
Slot幅：30ns
7 Bit/Symbol
6 Bit/Symbol
9 Bit/Symbol
8 Bit/Symbol
検出した光子数 / ビット
光子検出器の暗計数率が低いため、「ビット数/シンボル」を増やしても問題なし
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最大データ転送速度の試算
波長変換型
Si APD
（25アレー）
アクティブ・クエン
チング InGaAs
APD
（1アレー）
サブ・ガイガーモード
InGaAs APD
（1アレー）
暗計数率
（DC）
10kHz/アレー？
（@DE：7.6%）
428kHz
（@DE:28%）
5.6Hz
（@DE：0.21%）
ジッター
（J）
0.21ns RMS
< 0.85 ns RMS
3.3 ns RMS
アフターパルス
-
8.0%(τd=24us)
1.0%(τd=32us)
4.0%(τd=0us)
1.0%(τd=0.41us)
最大カウントレート
2.5MHz / アレー
33kHz
最大 5.3MHz
（実測：>2.5MHz）
PPM通信での
データ転送速度
187.5 Mbps
（@6 Bits/Symbol）
0.1 Mbps
（@6 Bits/Symbol）
最大7.5 Mbps
（@6 Bits/Symbol）
16波長多重を使用すれば、
データ転送速度100Mbps達成可能
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まとめ
 サブ・ガイガーモード光子検出器の性能評価をおこなった結果、
「暗計数率・アフターパルス確率」を低くすることに成功した
 実際に、パルスポジション変調（PPM）通信を行なったところ、
シンボルあたりのビット数を増やしても、ビットエラーレートは
理論曲線とほぼ一致させることに成功した（∵光子検出器の暗
計数率・アフターパルス確率が低い）
 16波長多重を使用することで、データ転送速度：100Mbpsを達
成できる可能性を示した
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火星探査機マーズ・リコネッサンス・オービター
（NASAのホームページから抜粋）
ご静聴ありがとうございました
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APPENDIX
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ビットエラーレート
Slot幅：30ns
7ビット/シンボル
6ビット/シンボル
9ビット/シンボル
8ビット/シンボル
検出した光子数 / ビット
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ビットエラーレート
Slot幅：20ns
7ビット/シンボル
6ビット/シンボル
9ビット/シンボル
8ビット/シンボル
検出した光子数 / ビット
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Slot幅：10ns
ビットエラーレート
7ビット/シンボル
9ビット/シンボル
6ビット/シンボル
8ビット/シンボル
検出した光子数 / ビット
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Slot幅：5ns
ビットエラーレート
7ビット/シンボル
6ビット/シンボル
9ビット/シンボル
8ビット/シンボル
検出した光子数 / ビット
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主なレーザー光通信方式
D. O. Caplan, ECOC 2009.
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レーザー光通信の主な受信機
D. O. Caplan, ECOC 2009.
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電力効率と周波数効率の関係
D. O. Caplan, ECOC 2009.
M-ary PPM&Photon Countingは
伝送速度を犠牲にすることで、
電力効率を上げられる
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受信感度とエラーの関係
D. O. Caplan, ECOC 2009.
1symbolあたりのビット数(log2M)を
増やすことで感度を向上
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感度向上戦略：誤り訂正符号
D. O. Caplan, ECOC 2009.
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先行研究
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InGaAs APDを用いたデモ
• 64-ary PPM (6bit/symbol)
• 1/2-rate turbo code
• Geiger-mode InGaAs APD
– DE = 28 %
– DC = 428 kHz
• Sensitivity
– 1.5 Photons/bit
• Data rate
– 100 kbit/s
IEEE LEOS NEWSLETTER, 20, October 2005.
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SSPDを用いたデモ
• 32-ary PPM (5bit/symbol)
• 1/2-turbo code
• Superconducting
Single photon detector
(SSPD)
Wire width = 100 nm
– DE < 5 %(at 1.8 K)
– DC = 1.4 – 8.1 kHz
• Sensitivity
– 0.5 photons/bit
Opt. Lett., 31, 444 (2006).
• Data rate
– 781 Mbit/s
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周波数上方変換Si APDを用いたデモ
• 64-ary PPM
(6bit/symbol)
• 1/2-rate turbo code
• Up-conversion
Si APD (emulated array
of 25 devices)
– DE = 7.6 %
– DC > 450 Hz
• Sensitivity
– 0.47 photons/bit
• Data rate
 Timing jitter


36 ps FWHM
(GM-APD:
< 400 ps)
– 187.5 Mbit/s
CLEO/QELS 2008, CWN5
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各国の具体的な目標
• NASA (National Aeronautics and Space
Administration)
– 2015-2016年に火星や土星までの距離で、最
大100 Mbit/sの通信レートの実現。
• ESA (European Space Agency)
– 2025年までに火星や木星と光衛星通信リンク
を確立。ダウンリンクで100Mbit/sを実現。
• JAXA
– 具体的な目標はなし。
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暗計数率 [Hz]
光子検出効率 [%]
光子検出効率・暗計数率
最大検出効率：0.21%
暗計数率：5.6Hz
APD増倍率
APD増倍率
波長変換型
Si APD
（25アレー）
アクティブ・クエンチン
グ InGaAs APD
（1アレー）
サブ・ガイガーモード
InGaAs APD
（1アレー）
最大検出効率
7.6%
28%
0.21%
暗計数率
-
428kHz
5.6Hz
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ジッター：3.3 ns RMS
アフターパルス出現確率
カウント数
タイミングジッター・アフターパルス確率
4.0%（τd=0us）
1.0%（τd=0.4us）
時間 [us]
時間 [us]
波長変換型
Si APD
（1アレー）
アクティブ・クエンチン
グ InGaAs APD
（1アレー）
サブ・ガイガーモード
InGaAs APD
（1アレー）
タイミングジッター
0.21ns RMS
< 0.85 ns RMS
3.3 ns RMS
アフターパルス確
率
-
<8.0%（τd=24us）
<1.0%（τd=32us）
4.0%（τd=0us）
1.0%（τd=0.4us）
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最大カウントレート
カウントレート[Hz]
CFD微分波形
電圧[V]
CFD出力デジタル信号
パルスレーザー周波数 [Hz]
最大カウント
レート
レーザー光源の限界
時間 [s]
波長変換型
Si APD
（1アレー）
アクティブ・クエンチン
グ InGaAs APD
（1アレー）
サブ・ガイガーモード
InGaAs APD
（1アレー）
2.5MHz
33kHz
> 2.3 MHz
（予測：5.3MHz）
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