一种紧凑型光学无线发射器：速度更快、更节能！

现代生活依赖于快速可靠的无线连接。视频通话、流媒体服务、虚拟现实以及智能设备，都对已经服务着数十亿用户的网络提出了越来越高的要求。如今，大多数无线数据通过 Wi-Fi 和蜂窝系统等基于无线电的技术传输。尽管这些方法非常成功，但它们面临着日益严峻的挑战，包括无线电频谱拥挤、室内密集空间中的信号干扰，以及随着更多设备接入而不断攀升的能耗。

一种有前景的补充方案是光学无线通信，它利用光而非无线电波来传输数据。光提供的带宽远超无线电频率，不会与现有无线系统产生干扰，并且可以精确地定向到特定位置。

这些特性使得光学无线链路对于办公室、家庭、数据中心、医院和公共场馆等室内环境特别有吸引力，在这些环境中，众多用户需要在近距离内获得高速连接。

在发表于《Advanced Photonics Nexus》的一项研究中，研究人员展示了一种紧凑型光学无线发射器，该发射器兼具极高的数据传输速率和更高的能效。

该系统核心是一个包含微型半导体激光器阵列的小型芯片，以及一套精心设计的光学系统，用于塑造向用户传输光的方式。这些元素共同构成一个可扩展的平台，用于高容量室内无线通信。

用众多微型激光器发送数据

该系统的核心是一个定制的 5×5 垂直腔面发射激光器阵列。这些激光器发射红外光，由于能够高效运行并支持高速调制，被广泛应用于数据中心和传感领域。重要的是，VCSEL 可以采用标准的半导体制造技术制成大型阵列。

在这项工作中，阵列中的每个激光器都可以单独寻址，并能传输自己的数据流。通过并行运行多个激光器，研究人员得以将总数据容量提升到远超单个光源所能达到的水平。

整个激光器阵列集成在不到一毫米大小的芯片上，因此既适用于紧凑型无线接入点，也可以轻松集成到智能手机等设备中。

研究团队利用成熟的半导体工艺制造了该激光器阵列，并将成品芯片安装到定制电路板上。初步测试表明，阵列中各激光器性能一致，输出功率稳定，并支持高速调制。

高速光学无线链路

为了评估性能，研究人员搭建了一条跨度为两米的自由空间光学链路。每个激光器采用一种调制技术驱动，该技术将数据分割到多个紧密排列的频率通道上，使系统能够高效利用可用带宽，同时适应信号质量的变化。

实验中，25 个激光器中有 21 个正常工作。单个激光器实现了约 13 至 19 Gbit/s 的数据速率。组合后，系统达到了 362.7 Gbit/s 的总数据速率。这是目前已报道的、采用自由空间耦合接收器的芯片级光学无线发射器所实现的最高吞吐量之一。

研究人员指出，所达到的速度受到测量中使用的商用光电探测器带宽的限制。如果使用更快的接收器，同样的发射器架构可以支持更高的数据速率。

为多用户塑造光线

同时发送多束光会带来新的挑战。如果光束重叠过多，信号会相互干扰，使得接收器难以分离数据流。为了解决这个问题，团队设计了一套紧凑型光学系统，用于塑造和引导激光器阵列发出的光。

首先，一个定制的微透镜阵列对每个激光器发出的光进行准直。然后，额外的透镜将这些光束重新分布，在接收平面上形成一个结构化的方形照明光斑网格。这种安排确保每束光覆盖一个明确的区域，且重叠最小。

测量结果显示，在两米的距离上，经整形后的光束在照明区域内的均匀性超过 90%。这种结构化的照明方式使得将不同光束分配给同一房间内的不同用户或设备成为可能。

研究人员还通过同时激活多个激光器来测试多用户操作。在一个有四束激活光束的演示中，每条链路都保持了稳定的通信，系统实现了约 22 Gbit/s 的总数据速率。结果表明，多个光学无线链路可以并行运行而不会产生显著干扰。

更低的每比特能耗

能效是未来无线网络的一个关键问题，尤其是在数据流量持续增长的情况下。传统的基于无线电的系统需要消耗越来越多的电力来提供更高的数据速率，这可能既昂贵又对环境造成负担。

本文演示的光学无线系统使用了本身就具有高能效、并且可以直接高速驱动的激光源。因此，传输每比特数据所需的能量显著低于典型的 Wi-Fi 系统。研究人员测得其能耗约为每比特 1.4 纳焦耳，大约是在可比条件下最先进 Wi-Fi 系统报告值的一半。

对现有无线网络的补充

研究人员强调，光学无线通信并非旨在取代 Wi-Fi 或移动网络，而是作为补充。光学链路可以部署在需要高容量的房间、办公室、工厂或其他室内空间，从而分流拥挤的无线电网络中的流量。

未来，类似的系统可以集成到照明灯具、天花板或接入点中，同时为众多用户提供快速、安全且节能的无线连接。

通过将激光器阵列、高速数据传输和精心设计的光学器件集成在一个紧凑的平台中，这项工作为下一代室内无线网络指明了一条切实可行的路径，使其能够在性能更高的同时，能耗不再相应增加。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.apn.5.2.026018