मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर

एक मॉड्यूलेटिंग रेट्रो परावर्तक  (एमआरआर) प्रणाली ऑप्टिकल संचार की अनुमति देने के लिए एक ऑप्टिकल रेट्रो-रिफ्लेक्टर और एक ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर को जोड़ती है और कभी-कभी अन्य कार्य जैसे प्रोग्रामयोग्य साइनेज। मुक्त अंतरिक्ष ऑप्टिकल संचार तकनीक हाल के वर्षों में पारंपरिक आकाशवाणी आवृति  (आरएफ) प्रणालियों के एक आकर्षक विकल्प के रूप में उभरी है। यह उद्भव काफी हद तक लेजर और कॉम्पैक्ट ऑप्टिकल सिस्टम की बढ़ती परिपक्वता के कारण है जो ऑप्टिकल और निकट-अवरक्त वाहकों की बहुत कम तरंग दैर्ध्य विशेषता के अंतर्निहित फायदे (आरएफ पर) का शोषण करने में सक्षम बनाता है:

* बड़ा बैंडविड्थ
 * अवरोधन की कम संभावना
 * हस्तक्षेप या जाम होने से प्रतिरक्षा
 * फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम आवंटन मुद्दे से राहत
 * छोटा, हल्का, कम शक्ति

प्रौद्योगिकी
एक एमआरआर मॉड्यूलेटेड ऑप्टिकल सिग्नल को सीधे ऑप्टिकल रिसीवर या ट्रांसीवर पर प्रतिबिंबित करने के लिए मॉड्यूलर के साथ एक ऑप्टिकल रेट्रोरेफ्लेक्टर को जोड़ता है या जोड़ता है, जिससे एमआरआर अपनी ऑप्टिकल शक्ति उत्सर्जित किए बिना ऑप्टिकल संचार उपकरण के रूप में कार्य कर सकता है। यह एमआरआर को पर्याप्त ऑन-बोर्ड बिजली आपूर्ति की आवश्यकता के बिना लंबी दूरी पर ऑप्टिकली संचार करने की अनुमति दे सकता है। रेट्रोरिफ्लेक्शन घटक का कार्य प्रतिबिंब को प्रकाश के स्रोत पर वापस या उसके निकट निर्देशित करना है। मॉड्यूलेशन घटक प्रतिबिंब की तीव्रता को बदल देता है। यह विचार व्यापक अर्थों में ऑप्टिकल संचार पर लागू होता है जिसमें न केवल लेजर-आधारित डेटा संचार बल्कि मानव पर्यवेक्षक और सड़क संकेत भी शामिल हैं। मॉड्यूलेशन घटक के लिए कई प्रौद्योगिकियां प्रस्तावित, जांच और विकसित की गई हैं, जिनमें सक्रिय माइक्रोमिरर्स, निराश कुल आंतरिक प्रतिबिंब, इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर (ईओएम), पीजो-एक्ट्यूएटेड डिफ्लेक्टर शामिल हैं। क्वांटम अच्छी तरह से  (MQW) डिवाइस,  और लिक्विड क्रिस्टल मॉड्यूलेटर, हालांकि कई ज्ञात ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन प्रौद्योगिकियों में से किसी एक का उपयोग सिद्धांत में किया जा सकता है। बिजली के उपयोग, गति, मॉड्यूलेशन रेंज, कॉम्पैक्टनेस, रेट्रोरफ्लेक्शन डाइवर्जेंस, लागत और कई अन्य जैसी सुविधाओं के संबंध में इन दृष्टिकोणों में एक दूसरे के सापेक्ष कई फायदे और नुकसान हैं।

एक विशिष्ट ऑप्टिकल संचार व्यवस्था में, एमआरआर अपने संबंधित इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ एक सुविधाजनक प्लेटफॉर्म पर लगाया जाता है और एक होस्ट कंप्यूटर से जुड़ा होता है जिसमें स्थानांतरित होने वाला डेटा होता है। एक दूर स्थित ऑप्टिकल ट्रांसमीटर/रिसीवर सिस्टम जिसमें आमतौर पर लेजर, टेलीस्कोप और डिटेक्टर शामिल होता है, मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर को एक ऑप्टिकल सिग्नल प्रदान करता है। ट्रांसमीटर प्रणाली से आपतित प्रकाश एमआरआर द्वारा संशोधित होता है और सीधे ट्रांसमीटर की ओर वापस परावर्तित होता है (रेट्रोरिफ्लेक्शन प्रॉपर्टी के माध्यम से)। चित्र 1 इस अवधारणा को दर्शाता है।

संयुक्त राज्य अमेरिका में नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला (एनआरएल) में एक मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर एक सेमीकंडक्टर आधारित एमक्यूडब्ल्यू शटर का उपयोग करता है जो लिंक विशेषताओं के आधार पर 10 एमबीटी/एस तक मॉडुलन  दर में सक्षम है। (मल्टीपल क्वांटम वेल टेक्नोलॉजी का उपयोग करके मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर देखें, यू.एस. पेटेंट संख्या 6,154,299, नवंबर, 2000 से सम्मानित किया गया।)

प्रौद्योगिकी की ऑप्टिकल प्रकृति संचार प्रदान करती है जो विद्युत चुम्बकीय आवृत्ति आवंटन से संबंधित मुद्दों के प्रति संवेदनशील नहीं है। मल्टीपल क्वांटम वेल मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर में कॉम्पैक्ट, हल्के होने के अतिरिक्त फायदे हैं और इसके लिए बहुत कम बिजली की आवश्यकता होती है। छोटी-सरणी एमआरआर समतुल्य आरएफ प्रणाली पर खपत की गई बिजली बचत में परिमाण के क्रम तक प्रदान करती है। हालाँकि, MQW मॉड्यूलेटर में अन्य तकनीकों की तुलना में अपेक्षाकृत छोटी मॉड्यूलेशन रेंज होती है।

मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर की अवधारणा नई नहीं है, यह 1940 के दशक से चली आ रही है। पिछले कुछ वर्षों में ऐसे उपकरणों के विभिन्न प्रदर्शन बनाए गए हैं, हालांकि पहला एमक्यूडब्ल्यू एमआरआर का प्रदर्शन 1993 में हुआ था महत्वपूर्ण डेटा दरें प्राप्त करने में उल्लेखनीय था। हालाँकि, एमआरआर का अभी भी व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है, और उस क्षेत्र में अधिकांश अनुसंधान और विकास बल्कि खोजपूर्ण सैन्य अनुप्रयोगों तक ही सीमित है, क्योंकि सामान्य तौर पर फ्री-स्पेस ऑप्टिकल संचार एक विशिष्ट विशिष्ट तकनीक है।

एमआरआर में अक्सर वांछनीय माने जाने वाले गुणों (स्पष्ट रूप से एप्लिकेशन के आधार पर) में उच्च स्विचिंग गति, कम बिजली की खपत, बड़ा क्षेत्र, विस्तृत दृश्य क्षेत्र और उच्च ऑप्टिकल गुणवत्ता शामिल हैं। इसे कुछ तरंग दैर्ध्य पर भी कार्य करना चाहिए जहां उपयुक्त लेजर स्रोत उपलब्ध हों, विकिरण-सहिष्णु (गैर-स्थलीय अनुप्रयोगों के लिए) होना चाहिए, और मजबूत होना चाहिए। उदाहरण के लिए, मैकेनिकल शटर और फेरोइलेक्ट्रिक लिक्विड क्रिस्टल (एफएलसी) उपकरण बहुत धीमे, भारी हैं, या कई अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं हैं। कुछ मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर सिस्टम को मेगाबिट्स प्रति सेकंड (एमबीटी/एस) की डेटा दरों और उच्च और बड़े तापमान रेंज पर संचालित करने की इच्छा होती है जो दरवाजे के बाहर और अंतरिक्ष में स्थापना की विशेषता है।

मल्टीपल क्वांटम वेल मॉड्यूलेटर
सेमीकंडक्टर एमक्यूडब्ल्यू मॉड्यूलेटर उन कुछ तकनीकों में से एक है जो संयुक्त राज्य नौसेना अनुप्रयोगों के लिए सभी आवश्यकताओं को पूरा करती है, और परिणामस्वरूप नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला उस दृष्टिकोण को विकसित करने और बढ़ावा देने में विशेष रूप से सक्रिय है। जब शटर के रूप में उपयोग किया जाता है, तो एमक्यूडब्ल्यू तकनीक कई फायदे प्रदान करती है: यह मजबूत ठोस अवस्था है, कम वोल्टेज (20 एमवी से कम) और कम बिजली (दसियों मिलीवाट) पर काम करती है, और बहुत उच्च स्विचिंग गति में सक्षम है। फाइबर ऑप्टिक अनुप्रयोगों में MQW मॉड्यूलेटर को Gbit/s डेटा दरों पर चलाया गया है।

जब एक मध्यम (~15V) वोल्टेज को रिवर्स बायस में शटर के पार रखा जाता है, तो अवशोषण सुविधा बदल जाती है, लंबी तरंग दैर्ध्य में स्थानांतरित हो जाती है और परिमाण में गिरावट आती है। इस प्रकार, इस अवशोषण सुविधा के पास डिवाइस का ट्रांसमिशन नाटकीय रूप से बदलता है, जिससे सिग्नल को वाहक पूछताछ बीम पर ऑन-ऑफ-कीइंग प्रारूप में एन्कोड किया जा सकता है।

इस मॉड्यूलेटर में AlGaAs बाधाओं से घिरे InGaAs कुओं की 75 अवधियाँ शामिल हैं। डिवाइस को एन-टाइप GaAs वेफर पर विकसित किया गया है और इसे पी-टाइप संपर्क परत द्वारा कैप किया गया है, इस प्रकार एक पिन डायोड बनता है। यह डिवाइस एक ट्रांसमिसिव मॉड्यूलेटर है जिसे 980 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो कई अच्छे लेजर डायोड स्रोतों के साथ संगत है। इन सामग्रियों का परावर्तन आर्किटेक्चर में संचालन में बहुत अच्छा प्रदर्शन है। मॉड्यूलेटर प्रकार और कॉन्फ़िगरेशन आर्किटेक्चर का चुनाव एप्लिकेशन पर निर्भर है।

एक बार बड़े हो जाने पर, वेफर को नक़्क़ाशी और धातुकरण चरणों से युक्त बहु-चरण फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया का उपयोग करके अलग-अलग उपकरणों में तैयार किया जाता है। एनआरएल प्रायोगिक उपकरणों में 5 मिमी एपर्चर है, हालांकि बड़े उपकरण संभव हैं और इन्हें डिजाइन और विकसित किया जा रहा है। यह बताना महत्वपूर्ण है कि जबकि एमक्यूडब्ल्यू मॉड्यूलेटर का उपयोग आज तक कई अनुप्रयोगों में किया गया है, इतने बड़े आकार के मॉड्यूलेटर असामान्य हैं और विशेष निर्माण तकनीकों की आवश्यकता होती है।

एमक्यूडब्ल्यू मॉड्यूलर स्वाभाविक रूप से शांत उपकरण हैं, जो लागू वोल्टेज को मॉड्यूलेटेड तरंग के रूप में सटीक रूप से पुन: पेश करते हैं। एक महत्वपूर्ण पैरामीटर कंट्रास्ट अनुपात है, जिसे I के रूप में परिभाषित किया गया हैmax/मैंmin. यह पैरामीटर समग्र सिग्नल-टू-शोर अनुपात को प्रभावित करता है। इसका परिमाण डिवाइस पर लागू ड्राइव वोल्टेज और exciton शिखर के सापेक्ष पूछताछ लेजर की तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है। संतृप्ति मान तक पहुंचने तक वोल्टेज बढ़ने पर कंट्रास्ट अनुपात बढ़ता है। आमतौर पर, एनआरएल में निर्मित मॉड्यूलेटर में संरचना के आधार पर 10 वी और 25 वी के बीच लागू वोल्टेज के लिए 1.75:1 से 4:1 के बीच कंट्रास्ट अनुपात होता है।

किसी दिए गए उपकरण के निर्माण और निर्माण में तीन महत्वपूर्ण विचार हैं: अंतर्निहित अधिकतम मॉड्यूलेशन दर बनाम एपर्चर आकार; विद्युत ऊर्जा की खपत बनाम एपर्चर आकार; और उपज.

अंतर्निहित अधिकतम मॉड्यूलेशन दर बनाम एपर्चर आकार
मॉड्यूलेटर की स्विचिंग गति में मूलभूत सीमा प्रतिरोध-समाई सीमा है। एक प्रमुख ट्रेडऑफ़ मॉड्यूलेटर का क्षेत्र बनाम स्पष्ट एपर्चर का क्षेत्र है। यदि मॉड्यूलेटर क्षेत्र छोटा है, तो कैपेसिटेंस छोटा है, इसलिए मॉड्यूलेशन दर तेज हो सकती है। हालाँकि, कई सौ मीटर की लंबी अनुप्रयोग सीमा के लिए, लिंक को बंद करने के लिए बड़े एपर्चर की आवश्यकता होती है। किसी दिए गए मॉड्यूलेटर के लिए, शटर की गति मॉड्यूलेटर व्यास के वर्ग के विपरीत होती है।

विद्युत ऊर्जा की खपत बनाम एपर्चर आकार
जब ड्राइव वोल्टेज तरंग को अनुकूलित किया जाता है, तो MQW मॉड्यूलेटिंग रेट्रो-रिफ्लेक्टर की विद्युत ऊर्जा खपत इस प्रकार भिन्न होती है:

डीmodज* वी2बी2आरsजहां घmod मॉड्यूलेटर का व्यास है, वी मॉड्यूलेटर पर लागू वोल्टेज है (आवश्यक ऑप्टिकल कंट्रास्ट अनुपात द्वारा तय किया गया है), बी डिवाइस की अधिकतम डेटा दर है, और आरS डिवाइस का शीट प्रतिरोध है। इस प्रकार MQW शटर के व्यास को बढ़ाने के लिए एक बड़े बिजली जुर्माने का भुगतान किया जा सकता है।

उपज
अच्छा कंट्रास्ट अनुपात प्राप्त करने के लिए एमक्यूडब्ल्यू उपकरणों को उच्च रिवर्स पूर्वाग्रह क्षेत्रों में संचालित किया जाना चाहिए। पूर्ण क्वांटम वेल सामग्री में यह कोई समस्या नहीं है, लेकिन सेमीकंडक्टर क्रिस्टल में दोष की उपस्थिति के कारण उपकरण संचालन के लिए आवश्यक वोल्टेज से कम वोल्टेज पर टूट सकता है। विशेष रूप से, एक दोष एक विद्युत शॉर्ट का कारण बनेगा जो पिन डायोड के आंतरिक क्षेत्र में आवश्यक विद्युत क्षेत्र के विकास को रोकता है। उपकरण जितना बड़ा होगा, ऐसे दोष की संभावना उतनी ही अधिक होगी। इस प्रकार, यदि किसी बड़े अखंड उपकरण के निर्माण में कोई खराबी आती है, तो पूरा शटर नष्ट हो जाता है।

इन मुद्दों के समाधान के लिए, एनआरएल ने खंडित उपकरणों के साथ-साथ मोनोलिथिक मॉड्यूलेटर को डिजाइन और निर्मित किया है। अर्थात्, किसी दिए गए मॉड्यूलेटर को कई खंडों में पिक्सेलित किया जा सकता है, प्रत्येक को एक ही सिग्नल के साथ संचालित किया जा सकता है। इस तकनीक का मतलब है कि गति के साथ-साथ बड़े एपर्चर भी प्राप्त किए जा सकते हैं। पिक्सेललाइज़ेशन स्वाभाविक रूप से डिवाइस के शीट प्रतिरोध को कम करता है, प्रतिरोध-समाई समय को कम करता है और विद्युत ऊर्जा की खपत को कम करता है। उदाहरण के लिए, एक सेंटीमीटर मोनोलिथिक डिवाइस को एक Mbit/s लिंक को सपोर्ट करने के लिए 400 mW की आवश्यकता हो सकती है। समान समग्र प्रभावी एपर्चर के साथ समान लिंक का समर्थन करने के लिए एक समान नौ खंड वाले डिवाइस को 45 मेगावाट की आवश्यकता होगी। 0.5 सेमी के समग्र व्यास के साथ नौ पिक्सेल वाला एक ट्रांसमिसिव डिवाइस 10 Mbit/s से अधिक का समर्थन करने के लिए दिखाया गया था।

यह निर्माण तकनीक उच्च गति, बड़े एपर्चर और बढ़ी हुई उपज की अनुमति देती है। यदि एक भी पिक्सेल दोषों के कारण खो गया है, लेकिन नौ या सोलह में से एक है, तो लिंक को बंद करने के लिए अपेक्षित सिग्नल-टू-शोर प्रदान करने के लिए आवश्यक कंट्रास्ट अनुपात अभी भी उच्च है। ऐसे विचार हैं जो खंडित डिवाइस के निर्माण को और अधिक जटिल बनाते हैं, जिसमें डिवाइस पर बॉन्ड वायर प्रबंधन, कई खंडों को चलाना और तापमान स्थिरीकरण शामिल है।

मॉड्यूलेटर की एक अतिरिक्त महत्वपूर्ण विशेषता इसकी ऑप्टिकल वेवफ्रंट गुणवत्ता है। यदि मॉड्यूलेटर बीम में विपथन का कारण बनता है, तो लौटाया गया ऑप्टिकल सिग्नल क्षीण हो जाएगा और लिंक को बंद करने के लिए अपर्याप्त प्रकाश मौजूद हो सकता है।

अनुप्रयोग

 * ज़मीन से हवा में संचार
 * ग्राउंड-टू-सैटेलाइट संचार
 * आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक्स बस इंटरेक्शन/संचार
 * इंटर, इंट्रा-ऑफिस संचार
 * वाहन-से-वाहन संचार
 * औद्योगिक उत्पादन

यह भी देखें

 * मुक्त स्थान ऑप्टिकल संचार
 * ऑप्टिकल संचार
 * रेट्रो-रिफ्लेक्टर