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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 ）. 目次. 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. 深宇宙通信のターゲット. 送られた電力. 火星や、その他の惑星との通信 距離： > 4 億 km 光が本命. 赤外レーザー光： 1um 電波： 1cm. 届く電力：. 電波通信. 赤外レーザー通信. D. O. Caplan, ECOC 2009.

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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

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  1. 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）

  2. 目次 • 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

  3. 深宇宙通信のターゲット 送られた電力 • 火星や、その他の惑星との通信 • 距離：> 4億km • 光が本命 赤外レーザー光：1um 電波：1cm 届く電力： 電波通信 赤外レーザー通信 D. O. Caplan,ECOC 2009. • 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 • 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

  4. 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）

  5. 光検出方式の種類 D. O. Caplan,ECOC 2009.

  6. 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 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） Opt. Lett., 31, 444 (2006). データ転送速度が非常に高い ワイヤー幅:100nm 常温で動作可能、ジッターが短い 極低温（~1.8K）にする必要がある 波長変換をするため、消費電力が大きい、暗計数が大きい

  7. 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

  8. サブ・ガイガーモードInGaAs APD光子検出器 アクティブ・クエンチング方式 サブ・ガイガーモード方式 InGaAs APD 印加電圧 InGaAs APD 印加電圧 Break down voltage 時間 光子入射 時間 低雑音電荷積分アンプ使用

  9. 研究の目的 +HV（0V～59.205V） －80℃冷却 整形アンプ カウンター 1550nm 電荷積分アンプ ディスクリミネーター e- サブ・ガイガーモード光子検出器 • 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 InGaAs APD • 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

  10. 光子検出器の性能評価 Counts / 10000s Afterpulse probability Detection efficiency Dark count rate [Hz] Time [us] Time [us] 暗計数率DC：5.6Hz （@検出効率DE：0.21%） ジッター：3.3ns RMS アフターパルス確率 4.0%（τd=0us） 1.0%（τd=0.4us）

  11. 深宇宙通信のフォーマット • オンオフ変調（OOK）通信 • パルスポジション変調（PPM）通信 光量 時間 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

  12. サブ・ガイガーモードInGaAs APD 光子検出器デモ 7Bit/Symbol Slot幅：30ns ビットエラーレート 6Bit/Symbol 9Bit/Symbol 8Bit/Symbol • 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 検出した光子数 / ビット

  13. 最大データ転送速度の試算 16波長多重を使用すれば、 データ転送速度100Mbps達成可能

  14. 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

  15. 火星探査機マーズ・リコネッサンス・オービター火星探査機マーズ・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

  16. APPENDIX

  17. Slot幅：30ns 7ビット/シンボル ビットエラーレート 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

  18. Slot幅：20ns 7ビット/シンボル ビットエラーレート 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

  19. Slot幅：10ns 7ビット/シンボル ビットエラーレート 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

  20. 7ビット/シンボル Slot幅：5ns ビットエラーレート 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

  21. 主なレーザー光通信方式 D. O. Caplan,ECOC 2009.

  22. レーザー光通信の主な受信機 D. O. Caplan,ECOC 2009.

  23. 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

  24. 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

  25. 感度向上戦略：誤り訂正符号 D. O. Caplan,ECOC 2009.

  26. 先行研究

  27. 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.

  28. SSPDを用いたデモ • 32-ary PPM (5bit/symbol) • 1/2-turbo code • Superconducting Single photon detector (SSPD) • DE < 5 %(at 1.8 K) • DC = 1.4 – 8.1 kHz • Sensitivity • 0.5 photons/bit • Data rate • 781 Mbit/s Wire width = 100 nm Opt. Lett., 31, 444 (2006).

  29. 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 • 187.5 Mbit/s • Timing jitter • 36 ps FWHM • (GM-APD: < 400 ps) CLEO/QELS 2008, CWN5

  30. 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。

  31. 光子検出効率・暗計数率 光子検出効率 [%] 暗計数率 [Hz] 最大検出効率：0.21% 暗計数率：5.6Hz APD増倍率 APD増倍率

  32. タイミングジッター・アフターパルス確率 アフターパルス出現確率 カウント数 4.0%（τd=0us） 1.0%（τd=0.4us） ジッター：3.3 ns RMS 時間 [us] 時間 [us]

  33. 最大カウントレート CFD微分波形 カウントレート[Hz] 電圧[V] CFD出力デジタル信号 時間 [s] パルスレーザー周波数 [Hz] レーザー光源の限界

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