剑桥大学开发出更快速、更环保的室内无线通信光学方法
室内无线通信光学方法
（映维网Nweon 2026年04月03日）现代生活离不开快速可靠的无线连接，尤其是虚拟现实等先进技术对网络提出了越来越高的要求。如今，大多数无线数据都是通过Wi-Fi和蜂窝系统等无线电技术传输。尽管相关方法非常成功，但它们正面临着日益严峻的挑战，包括无线电频谱拥挤、密集室内空间中的干扰，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法是利用光而非无线电波来传输数据的光无线通信。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。所述特性使得光无线链路对于室内环境特别有吸引力。
在一项研究中，英国剑桥大学的研究人员展示了一种兼具极高数据传输速率和高能效的紧凑型光无线发射器。系统主要围绕一个包含小型半导体激光器阵列的微型芯片以及精心设计的光学装置构建，并共同构成了一个可扩展的高容量室内无线通信平台。
系统的核心是一个定制的5×5垂直腔面发射激光器阵列（VCSEL）。激光器发射红外光，并且由于能够高效运行并进行高速调制而广泛应用于数据中心和传感应用。重要的是，VCSEL可以使用标准半导体制造技术在大规模阵列中制造。
在这项研究中，阵列中的每个激光器都可单独寻址，并能传输自己的数据流。通过并行运行多个激光器，研究人员能够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尺寸小于1毫米的芯片之上，所以可兼容紧凑型无线接入点，甚至能轻松集成到移动设备之中。
研究团队使用成熟的半导体工艺制造了激光器阵列，并将成品芯片安装到定制的电路板之上。初步测试表明，整个阵列中的激光器性能一致，能产生稳定的输出功率并支持高速调制。
为了评估性能，研究人员搭建了一条跨越两米距离的自由空间光链路。每个激光器都采用一种调制技术驱动，以将数据分割到众多紧密排列的频率通道中，令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个处于工作状态。单个激光器实现的数据速率在每秒约13至19吉比特之间。组合起来后，系统达到了每秒362.7吉比特的总数据速率。这是目前报道的、使用自由空间耦合接收器的芯片级光无线发射器所能达到的最高吞吐量之一。
研究人员指出，所实现的速度受限于测量中使用的商用光电探测器的带宽。采用更快的接收器，同样的发射器架构可以支持更高的数据速率。
当然，同时发射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，使接收器难以分离数据流。为了解决这个问题，团队设计了一个紧凑的光学系统，用于整形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，额外的透镜将光束重新分布，在接收器平面形成由方形照明光斑组成的结构化网格。这种布置确保了每个光束覆盖一个确定的区域，且重叠最小化。
测量显示，在两米的距离上，整形后的光束在照明区域内的均匀性超过了90%。这种结构化的照明使得将不同的光束分配给同一房间内的不同用户或设备成为可能。
另外，研究人员通过同时激活多个激光器来测试多用户操作。在一个使用四个激活光束的演示中，每条链路都保持了稳定的通信，系统实现了约每秒22吉比特的总数据速率。结果表明，多个光无线链路可以并行运行而不会产生显著干扰。
能源效率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。传统的无线电系统需要消耗越来越多的电力来实现更高的数据速率，这可能变得成本高昂且对环境造成负担。
团队展示的光无线系统使用的激光光源天生具有高能效，并且可以直接高速驱动。所以，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，大约是在同等条件下最先进Wi-Fi系统所报告能耗的一半。
相关论文：Chip-scale beam-shaped optical wireless system for high-speed and energy-efficient connectivity
研究人员强调，光无线通信并非旨在取代Wi-Fi或移动网络，而是作为它们的补充。光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，从而将流量从拥挤的无线电网络中分流出来。
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结合在一个紧凑的平台中，这项研究为下一代室内无线网络指明了一条切实可行的路径。
