本文通过展示一种完全由紧凑、集成化硬件构建的高灵敏度链路，在自由空间光通信领域取得了显著进展。其解决的核心挑战在于，传统高性能FSO系统依赖于笨重、高功耗的设备，如任意波形发生器、外部调制器和低温接收机，这些设备无法满足对尺寸、重量和功耗有严格限制的应用需求。
作者的解决方案利用了两种关键的CMOS兼容技术：氮化镓微发光二极管作为发射器，以及单光子雪崩二极管阵列作为接收器。这种集成化方法消除了对分立式、高功率组件的需求，为便携式、高能效通信系统铺平了道路。
这一突破的关键在于战略性地使用了两种半导体技术，它们在大规模生产方面已经成熟，但在此特定组合中应用于FSO领域尚属新颖。
SPAD是一种光电探测器，能够在盖革模式下通过雪崩倍增，从单个光子产生可测量的输出脉冲。将其集成到标准CMOS工艺的阵列中是一项变革性技术。这使得：
本工作中的接收器使用了这种CMOS SPAD阵列，从而在不需低温冷却的情况下实现了卓越的灵敏度。
发射器基于氮化镓微LED，与传统激光二极管或大面积LED相比具有多项优势：
作者采用了一种简单但有效的调制方案。在RZ-OOK中，二进制“1”由一个在比特周期内归零的光脉冲表示，而“0”则由无光表示。之所以选择RZ-OOK而非不归零码，特别是针对基于SPAD的系统，是因为它有助于减少码间干扰。SPAD的死区时间（探测器在触发后会暂时“失明”）会加剧码间干扰。RZ-OOK中保证的零功率周期提供了一个复位窗口，从而改善了误码率性能，尽管这需要更高的调制带宽。
实验链路包括：
系统在两个数据速率下进行了测试。关键结果总结如下：
图表描述（根据数据推断）： 误码率与接收光功率的关系图将显示50 Mb/s和100 Mb/s的两条曲线。两条曲线都将呈现光子计数接收器特有的陡峭“瀑布”形状。与100 Mb/s曲线相比，50 Mb/s曲线将向左偏移（灵敏度更高）。100 Mb/s的-55.2 dBm点对应的误码率很可能低于 $10^{-3}$（通信的标准阈值）。其性能比标准量子极限（100 Mb/s、635 nm下为-70.1 dBm）高出约18.5 dB，表明通过先进的编码和信号处理仍有改进空间。
整个未经优化的链路总功耗经测量低于5.5 W，这与台式激光器和调制器装置消耗的数十到数百瓦功耗形成鲜明对比。
性能从根本上受光子统计规律支配。对于使用OOK的理想光子计数接收器，错误概率（误码率）与“1”符号的每比特平均光子数 ($\mu$) 相关。对于设定在 $n_{th}$ 个光子的阈值：
$P_e \approx \frac{1}{2} \left[ \sum_{n=0}^{n_{th}} \frac{\mu^n e^{-\mu}}{n!} + \sum_{n=n_{th}+1}^{\infty} \frac{(\mu/\kappa)^n e^{-\mu/\kappa}}{n!} \right]$
其中 $\kappa$ 是消光比（“0”状态功率 / “1”状态功率）。在理想系统 ($\kappa=0$, 无噪声) 中，误码率为 $10^{-9}$ 时的理论极限（标准量子极限）约为每比特10个光子。在较低的误码率目标下实现约7.5光子/比特，证明了其高效率。与标准量子极限的偏差源于SPAD的非理想特性：死区时间、后脉冲和暗计数率，这些都会引入噪声并降低有效光子计数。
灵敏度（以dBm为单位）由光子计数计算得出：
$P_{rec} = \frac{N_{ph} \cdot h \cdot \nu \cdot R_b}{\eta}$
其中 $N_{ph}$ 是每比特光子数，$h$ 是普朗克常数，$\nu$ 是光频率，$R_b$ 是比特率，$\eta$ 是探测器量子效率。将 $P_{rec}$ 转换为dBm ($10\log_{10}(P_{rec}/1\text{mW})$) 即可得到报告的灵敏度数值。
核心见解： 本文不仅仅是关于更高的灵敏度；它更是高性能FSO 走向实用化与普及 的蓝图。通过坚定地用CMOS集成的、数字接口的对应组件替代每一个笨重的、模拟的台式设备组件，Griffiths等人有效地规划了一条从实验室新奇事物到可部署产品的路径。真正的亮点是低于5.5W的功耗预算——这使得该技术对于卫星、无人机和移动单元等能源是终极货币的应用场景具有现实意义。
逻辑脉络： 其逻辑无懈可击且以产品为导向：1) 确定SWaP是关键障碍（而非原始性能）。2) 选择两种CMOS兼容的器件技术（微LED和SPAD），它们本身就能提供所需的性能（速度和灵敏度）。3) 使用尽可能简单的调制方式（RZ-OOK）以最小化处理开销，并突显硬件的固有能力。4) 证明这种集成化方案能提供引人注目的指标（100Mb/s @ -55dBm）。这是一次经典的“保持简单、直接”的工程胜利。
优势与不足：
优势： 发射器和接收器在CMOS兼容平台上的协同集成具有前瞻性，对大规模扩展和降低成本意义重大。对系统总功耗的关注是纯研究中常被忽视的现实考量，值得欢迎。选择RZ-OOK来对抗SPAD死区时间是一种明智的、实用的系统级优化。
不足： 一个显而易见的问题是缺乏 信道鲁棒性 测试。论文展示的是一个基于实验室的、衰减后的链路。现实世界的FSO必须应对大气湍流、闪烁和指向误差。正如麻省理工学院林肯实验室关于深空光通信的研究所强调的，湍流可能导致超过20 dB的衰落——这种光子匮乏的链路能存活下来吗？此外，使用简单的阈值检测器意味着放弃了巨大的性能提升空间。该领域已转向复杂的算法；正如Khalighi等人的工作（IEEE Transactions on Communications, 2014）所示，使用最大似然序列检测或针对SPAD统计特性定制的纠错编码，可以弥合大部分与标准量子极限之间18.5 dB的差距。
可操作的见解： 对于工业界而言，关键启示是投资于这些芯片的 系统封装和控制算法。核心器件物理特性已得到验证。下一步是集成用于光束整形/捕获的微光学器件，并开发能够处理真实信道损伤并利用SPAD统计特性的鲁棒数字信号处理固件。对于研究人员而言，路线图很清晰：1) 集成前向纠错码（如LDPC码）以接近标准量子极限。2) 在真实、湍流的大气路径上测试系统。3) 探索使用微LED阵列进行波分复用，以在不增加带宽的情况下提升数据速率。这项工作提供了基础硬件；现在我们需要在其之上构建智能层。
框架：SWaP约束下的系统设计矩阵
本文为根据多维约束评估技术提供了一个完美的案例研究。一个有用的分析框架是跨关键向量的加权评分矩阵：
| 技术 | 性能（灵敏度/数据速率） | SWaP评分 | 集成潜力 | 技术成熟度等级 | 总分（加权） |
|---|---|---|---|---|---|
| 本工作（微LED + SPAD） | 高（光子计数，100Mb/s） | 优秀（<5.5W，紧凑） | 优秀（原生CMOS） | 中高（实验室演示，器件已商用） | 9.2 |
| 传统FSO（激光器 + APD） | 非常高（Gbps，良好灵敏度） | 差（高功耗，笨重） | 差（分立组件） | 非常高（成熟产品） | 6.0 |
| 射频（例如，毫米波） | 中等（数据密度较低） | 良好 | 良好（有SoC可用） | 非常高 | 7.5 |
案例应用： 考虑一个需要星间链路的立方星供应商。使用此框架，微LED/SPAD方法的高SWaP评分和高集成评分使其立即成为领先候选方案，尽管其技术成熟度等级略低于射频技术。该分析迫使人们从纯粹的性能最大化转向 每瓦每立方厘米性能——这才是现代受约束系统的真正衡量标准。
这种集成化、低SWaP方法的影响是深远的：
关键研究方向：