基于光学相位阵列的空分复用相干自由空间光通信

《IEEE Transactions on Learning Technologies》：Optical Phased Array-Enabled Space-Division Multiplexed Coherent Free-Space Optical Communication

　　**摘要：**自由空间光（FSO）通信能够提供显著高于传统射频（RF）通信的传输速度，有望在未来6G网络的发展中发挥重要作用。本文提出并演示了一种基于光相控阵（OPA）的空分复用（SDM）相干FSO系统，其中OPA通过在光子集成芯片上集成16个可调移相器和16个光学天线来实现。通过采用爬山算法自适应地调整从16个光学天线发射的波束相位，实现了具有精确方向控制的波束成形。垂直和水平波束扫描分别通过波长调谐和热调谐来实现。为验证SDM能力，系统采用了四个波长，四个波束指向四个不同方向。每个波长均调制有20 GBaud的16QAM信号。该系统实现了320 Gb/s（4 × 80 Gb/s）的聚合数据速率，在接收光功率（ROP）为0 dBm时，最小误差矢量幅度（EVM）为9.8%。得益于基于最小均方（LMS）算法的自适应均衡器，功率代价降低了约1.8 dB。本研究所演示的多波束FSO SDM系统为未来6G网络奠定了坚实基础，能够实现更高的传输容量并为多用户高效并行连接提供支持。**I. 引言**近年来，随着云计算、物联网（IoT）以及5G/6G无线通信的快速发展，世界已进入数据爆炸时代[1], [2]。自由空间光（FSO）通信利用无需许可的光谱，可提供远高于射频（RF）系统的带宽，被认为是高容量通信的有效解决方案。FSO通信的固有优势为开发具有波束成形、信号聚合和大气湍流补偿等功能的先进通信系统奠定了基础[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]。此外，FSO系统中的激光束具有高方向性和固有的抗电磁干扰能力[10]，使其在高数据速率和安全通信方面更具吸引力。目前，FSO系统主要采用衍射光学元件、微机电系统（MEMS）、光学透镜和液晶空间光调制器来实现信号捕获、跟踪和瞄准（ATP）[11]。然而，这些方法存在若干局限性，如偏转速度慢、偏转范围有限以及系统集成度低。鉴于光相控阵（OPA）在实现高度集成、低复杂度和紧凑光系统方面的巨大潜力，已投入大量研究工作来推动其发展。