OFC 2018会议上,澳大利亚皇家理工大学展示了首款基于硅光的室内光学无线通信系统。本篇笔记主要介绍这篇进展以及梳理相关的知识点。
首先简单介绍下光学无线通信(optical wireless communications (以下简称OWC),顾名思义,也就是利用光在自由空间里进行通信。相比于传统的RF无线通信方式,OWC的优势主要有:1)光波的频带更宽,可用的频带约400THz, 而RF的频带为30K-300GHz,相差了好几个数量级; 2)光波的相干性较好,不易受其他电磁信号的干扰。此外,光学信号也可以达到较高的调制速率。典型的OWC系统示意图如下,
(图片来自文献1)
与传统的光通信系统相比,唯一的区别是传输介质不再是光纤,而是自由空间。需要考虑到空气对光的吸收与散射,还需考虑光信号是否对人体造成伤害等因素。目前研究较多的是可见光通信和近红外光通信。根据传输距离的差异,还可以进一步细分,例如基于卫星的OWC等。这里不一一展开讨论,以后会另写笔记介绍。
如果使用激光作为OWC的光源,由于激光较好的方向传播性,OWC系统需要解决一个问题:如果终端在移动,如何自动地调节激光的发射方向,使得在新位置处的终端仍可以较好地接收信号?否则,用户只能在一个特定的范围内接受信号,这显然是非常不方便的。传统的机械式MEMS镜片调节激光的方向存在一些问题,而澳大利亚研究组另辟蹊径,采用硅光的相控阵列,实现了对光束的调节,进而演示了室内140cm距离、速率为12.5Gbps的光学无线通信。
相控阵列通过硅光芯片实现,其结构示意图如下,
(图片来自文献2)
输入光通过级联的3dB分束器(光芯片中的分束器)分成四路,每一路中都有基于热光效应的相位延迟单元。通过调节不同路光场的相位,可以调节最终输出光束的形状。通道间的距离决定了输出的光斑尺寸,实验中通道间距为2um。典型的远场光斑形状如下图所示,调节角度可以达到5°左右。
(图片来自文献2)
整个室内光通信系统如下图所示,
(图片来自文献2)
经过调制后的1550nm波长光信号通过5.6km长的光纤,耦合进位于屋顶的硅光相控阵列中。光束经过相控阵列后,输出覆盖一定角度的光束。在该光束覆盖的范围内,终端都可以接收到光信号。下图是5°调节角时,误码率与传播距离的实验结果。在传播距离为140cm时,误码率为10^-9,信号速率为12.5Gbps。随着传播距离的增加,误码率也相应增大。
(图片来自文献2)
以上是这篇进展的主要结果,其演示了基于硅光的室内无线通信。硅光芯片的核心单元是相控阵列,作用是对光束进行调节,以克服用户位置移动带来的影响。硅光的应用并不局限于光收发器,相控阵列也是其重要的应用之一。
但是目前该演示实验中,光束可覆盖的角度仍然较小,只有5°左右。未来可能需要在室内布置多个硅光相控阵列,才能达到目前wifi的效果。此外,该实验只是演示了用户接受信号的过程,用户并没有上传信号,信号是单向传输的。这可能也是未来需要解决的一个问题。
文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出,欢迎大家留言讨论。
参考文献: