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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目次目次

1. 深宇宙通信について2. サブ・ガイガーモード光子検出器について

3. 光子検出器の性能評価結果4. 深宇宙通信の検証実験5. まとめと今後の課題

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深宇宙通信のターゲット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：

22L

PP TR

送られた電力

電波通信 赤外レーザー通信

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34m2005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

赤外レーザー光：1um電波： 1cmD. O. Caplan, 　 ECOC 2009.

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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） 4

光検出方式の種類光検出方式の種類D. O. Caplan, 　 ECOC 2009.

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NASAが実施したデモ実験NASAが実施したデモ実験

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）

超伝導素子（ SSPD）光子検出器デモ

Si APD光子検出器デモ（ 25アレー）

火星の画像を、約 2分間で転送可能（電波だと約 90分間）

波長変換をするため、消費電力が大きい、暗計数が大きい常温で動作可能、ジッターが短い

Opt. Lett., 31, 444 (2006).

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

ワイヤー幅 :100nm

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動機動機 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　　　　　

eh

h

光子到来を検知

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

（波長感度： 1.0um～1.6um）

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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 InGaAs APD光子検出器

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

光子入射

低雑音電荷積分アンプ使用

Break downvoltage

アクティブ・クエンチング方式

サブ・ガイガーモード方式

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研究の目的研究の目的

電荷積分アンプ電荷積分アンプ

整形アンプ

ディスクリミネーター

+HV（ 0V～ 59.205V）

カウンター

InGaAs APDInGaAs APD

1550nme-e-

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

－ 80℃冷却

•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

サブ・ガイガーモード光子検出器

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光子検出器の性能評価光子検出器の性能評価

Time [us] Time [us]

暗計数率 DC： 5.6Hz（@検出効率 DE：

0.21%）

アフターパルス確率4.0%（ τd=0us）1.0%（ τd=0.4us）

ジッター： 3.3ns RMS

Dark count rate [Hz]

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パルスポジション変調（ PPM）通信

オンオフ変調（ OOK）通信

深宇宙通信のフォーマット

深宇宙通信のフォーマット

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

11

Slot幅：30ns

検出した光子数 / ビット

6 Bit/Symbol

7 Bit/Symbol

8 Bit/Symbol

9 Bit/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

サブ・ガイガーモード InGaAs APD

光子検出器デモ

サブ・ガイガーモード InGaAs APD

光子検出器デモ

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最大データ転送速度の試算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 13

まとめまとめ

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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ご静聴ありがとうございましたご静聴ありがとうございました

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）

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APPENDIX

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Slot幅：30ns

検出した光子数 / ビット

6ビット /シンボル

7ビット /シンボル

8ビット /シンボル

9ビット /シンボル

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Slot幅：20ns

検出した光子数 / ビット

6ビット /シンボル

7ビット /シンボル

8ビット /シンボル

9ビット /シンボル

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検出した光子数 / ビット

Slot幅：10ns

6ビット /シンボル

7ビット /シンボル

8ビット /シンボル

9ビット /シンボル

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Slot幅： 5ns

検出した光子数 / ビット

6ビット /シンボル

7ビット /シンボル

8ビット /シンボル

9ビット /シンボル

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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

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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 2005.28

SSPDを用いたデモ

• 32-ary PPM (5bit/symbol)• 1/2-turbo code• SuperconductingSingle 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

Opt. Lett., 31, 444 (2006).

Wire width = 100 nm

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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– 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。

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光子検出効率・暗計数率

APD増倍率APD増倍率

最大検出効率： 0.21% 暗計数率： 5.6Hz

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 5.6Hz32

タイミングジッター・アフターパルス確率

ジッター： 3.3 ns RMS4.0%（ τd=0us）1.0%（ τd=0.4us）

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）

時間 [us]時間 [us]

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最大カウントレート

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）

最大カウントレート

2.5MHz 33kHz > 2.3 MHz（予測： 5.3MHz）

時間 [s]パルスレーザー周波数 [Hz] レーザー光源の限

界

CFD 微分波形

CFD出力デジタル信号

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