江伟教授课题组:面向移动无线光通信的硅基光学相控阵

发布者:沈允育发布时间:2024-04-18浏览次数:327

硅基光学相控阵(Optical Phased Array, OPA)是一种集成在硅光芯片上的光波调控器件,通过非机械方式控制远场光束的传播方向,可避免传统机械部件的响应速度低、可靠性不佳等问题。由于其速度快、精度高等特点,光学相控阵在无线光通信和激光雷达等应用中具有极大的应用潜力。其中,基于硅基光学相控阵的室内无线光通信系统有望在办公室、会议室等场景中为用户提供高速便捷的数据通信服务。在室内无线光通信的实际应用中,往往会出现用户的空间位置发生快速移动、需要在多个用户间快速切换等情况(图1)。现有的硅基光学相控阵对这种涉及移动用户的动态无线光通信应用场景尚不能应对。为了突破这一障碍,近日,南京大学现代工程与应用科学学院硅光课题组报道了具有快速光束切换功能的硅基光学相控阵,为室内光通信网络中的多个用户和移动用户的动态连接问题提出了解决方案,实验证实了硅光相控阵的优势,有望推动其进一步走向实用。

在无线光通信系统中,信号以光束的形式在空间传播,光束可以以较小的发散角指向一个用户,进行高效通信。硅基光学相控阵可使光束偏转,指向不同的用户,从而进行不同用户间的通信链路的切换;也可使光束偏转以跟随移动中的用户。从原理上看,光学相控阵具有快速、无机械惯性等优点,可满足快速光束切换、快速移动用户的需求。但在不同角度进行快速光束偏转时,需要硅基光学相控阵芯片上大量移相器精确同步工作。硅光相控阵研究自2008年开始至今,其速度演示通常限于测试单个移相器的移相速度,并未在时域演示光束的快速整体控制,因而难以应用于有移动用户的场景。

图1 使用光学相控阵支持面向多个移动用户的无线光通信,实现用户间快速切换的示意图。下方为实验接收到的12Gbps信号眼图。


该课题组构建了基于硅光相控阵的快速切换能力的无线光传输架构,概念如图1所示,可以为室内的不同用户提供高速的数据传输服务。实验中,通过移相器控制硅光相控阵的各阵元相位,以调控发射的光波阵面的指向,实现光束偏转。对不同接收点发送时间长度不相等的光信号,以识别并验证在通信对象之间的切换。

基于实验结果证明,此系统可在室内环境下实现信号速率为12Gbps的无线数据传输,传输的误码率(BER)小于10-12,并且在不同用户之间切换的时间不大于12.8μs

为验证在时域复杂切换序列的稳定性,研究人员进行了基于硅光相控阵光束切换的黑白图片传输实验。实验中,将图片的白像素点用高电平(信号值“1”)表示,黑像素点用低电平(信号值“0”)表示。再借助光学相控阵的切换进行图片传输。传输过程中,切换到某接收器上对应于此接收器收到信号值“1”,而切换到其他角度时,对应于此接收器收到信号值“0”,结果如图2所示。实验实现了单个接收器不同图片的传输(2a, b),两个接收器间互补图片的传输(2c, d)等。并在实验中对比了同步控制下和非同步控制下的图片传输效果(2b vs.2d),分别得到了无损图片(b)与全损图片(d),直观对比证明了移相器阵列同步控制的重要性。

图2 基于切换的二值图案传输:(a)字母“N”;(b)字母“J”;(c)同时在两个接收器之间进行切换得到正“J”与反“J”。(d) 对照实验:无同步控制时传输”J”失败。


对移动用户进行快速精确定位并实时跟随是无线光通信在面向移动用户时需要解决的一个关键问题。在稳定可靠地实现光束快速切换的基础上,该课题组提出了面向移动用户的定位、光束跟随方案并开展了相关实验(图3)。此方案通过硅光相控阵实时向移动物体及其周围发射光信号,并检测回波信号以实现目标的定位和跟随,从而支持面向移动用户的动态通信。

3 面向移动用户的定位、跟随,以及快速光束切换:(a)实验架构;(b)移动物体的回波强度;(c)实际测量角度位置和控制角度位置对比;(d)两个移动物体之间的快速切换。


最后,为满足真实室内场景下用户的移动需求,研究人员在一维光相控阵的基础上,在发射波导中引入恰当的出射光栅并使用波长调控光栅发射光束的俯仰角度,实现光束在第二个维度的偏转,进一步展示了硅光相控阵在室内场景下应用的可行性。

上述结果基于移相器的精准同步,通过时域直观演示实验证实了硅光相控阵可实现光束快速切换,展现了硅光相控阵用于室内光通信,尤其是针对移动用户和多用户网络通信的可行性与优势,有望为光相控阵芯片的应用发展带来新的突破。

相关工作以“Fast-beam-switching optical phased array for moving objects in wireless optical communication networks”为题近日发表于国际期刊Optics Letters 49, 1961 (2024)。这项工作受到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校科研业务费等的支持。现代工学院直博生杨石冲为文章的第一作者,江伟教授是文章的通讯作者,吴桂瀚、汤凯飞、于福浩、暨翔、辛瑜等博士生和硕士生为这项工作做出了重要贡献。

论文链接:https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-49-8-1961