光纤供电与射频光纤传输：新一代网络中的复合传输系统

逍遥设计自动化

引言
随着移动网络的快速发展和第五代（5G）新无线电（NR）技术的部署，光网络基础设施面临着新的挑战。这些挑战包括满足严格的延迟要求、提高能源效率和处理增加的数据吞吐量。本文探讨创新方法，将光纤供电（PoF）和模拟射频光纤（ARoF）传输在各种光纤类型中结合使用，重点关注单模光纤（SMF）、多芯光纤（MCF）和空心光纤（HCF）中的同步操作[1]。

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& n" `. |5 p3 H! t7 p系统架构与组件
  p5 w+ A* y7 g$ G/ \3 pPoF和ARoF复合系统的基本架构由几个关键组件组成。在发射端，高功率激光器（HPL）产生PoF信号，而激光二极管产生ARoF传输的数据信号。系统采用波分复用（WDM）在共享场景中组合这些信号，或在MCF实施中使用独立芯。在接收端，光伏功率转换器（PPC）将光功率转换为电能，而光电检测器处理数据信号。

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' P0 h  w8 c$ }+ f+ b& `% G9 R图1展示了三种实验设置：(A) 初步RIN表征设置，(B) 共享传输的噪声传输和频谱测量设置，(C) 结合PoF和5G NR ARoF传输的实际应用设置。

性能分析与测量
+ W& A3 G( e: t! l) k: A+ f* hPoF和ARoF复合系统的关键方面是其性能限制和特性。系统效率可以通过多个参数来衡量，包括光功率传输效率（OPTE）、系统能量效率（SEE）和全局能量效率（GEE）。ARoF传输的质量通常通过误差矢量幅度（EVM）测量来评估。
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图2显示了高功率激光器在不同功率水平下的总相对强度噪声（RIN）测量，展示了噪声特性如何随输出功率变化。

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' \5 X) J& w6 s% d) A8 O$ B7 s6 R图3展示了不同光纤类型中HPL输出功率的拉曼开关增益（GA），显示了不同光纤特性下的增益水平变化。
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0 x' P% U/ a5 z2 R5 A, z3 T信号质量和传输效应
' l9 A" X. n* Z3 t' E9 h传输信号的质量受到多种现象的显著影响，特别是在共享传输场景中。受激拉曼散射（SRS）可能导致高功率PoF信号向数据信号的噪声传输，可能降低传输质量。

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3 h$ C9 |7 Z; C, x8 K' @9 r2 V图4显示了通过不同光纤类型传输后的激光二极管信号RIN测量：(A) 长光纤（9.8 km SMF、11.1 km HCF和10 km MCF）和(B) 短光纤（3.3 km SMF和3.1 km HCF）。
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8 c( \! i- d' `图5展示了通过各种光纤类型共享传输后的激光二极管光谱，显示了噪声传输对信号质量的影响。
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系统性能和应用
PoF和ARoF复合系统的实际实施根据所使用的光纤类型和配置显示出不同的性能水平。这些系统可以支持各种应用，包括为远程传感器和通信设备供电。

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图6展示了不同5G NR测试模型在各种光纤上共享传输后的EVM测量与HPL输出功率的关系，包括不同光纤类型的详细测量。

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+ Q+ M4 P+ o" v图7展示了在约1W PoF信号共享传输条件下，11.1 km HCF、9.8 km SMF和10 km MCF的TM3.1a接收星座图比较。
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6 V* L+ z3 q/ z1 l/ n实际考虑和未来展望
PoF和ARoF复合系统的实施需要仔细考虑多个因素，包括光纤选择、功率要求和传输距离。HCF由于非线性效应较低，对未来应用具有优势，尽管目前版本与传统光纤相比面临着更高衰减的挑战。

# V7 d9 y# b2 b- l- `2 A这些系统的未来发展可能会集中在改进光纤特性，特别是对于HCF，模拟预测潜在损耗系数可低至0.02 dB/km。这种改进可能使HCF在保持非线性效应优势的同时与传统SMF更具竞争力。
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, S/ M4 A! w# P& X# o! k# U% K选择光纤类型时，必须考虑以下因素：

传输距离要求

功率传输需求

信号质量要求

系统效率目标

安装和维护考虑
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0 b5 s/ K) V+ m+ VSMF、MCF和HCF之间的选择取决于具体应用要求和限制。每种光纤类型都具有不同的优势和局限性，需要针对最佳系统性能进行仔细评估。

结论
在单一传输系统中结合PoF和ARoF技术为未来网络架构提供了解决方案，特别是在需要同时进行供电和高质量信号传输的场景中。虽然当前实施面临各种挑战，但光纤技术和系统设计的持续发展继续提高性能和效率。光纤类型的选择对系统性能起着重要作用，每种选择都为特定应用提供独特优势。

7 n6 w! M% d/ @; c3 f参考文献
[1] R. Altuna, Y. Jung, P. Petropoulos and C. Vázquez, "Power Over Fiber and Analog Radio Over Fiber Simultaneous Transmission Over Long Distance in Single Mode, Multicore, and Hollow Core Fibers," Laser & Photonics Reviews, vol. 18, no. 8, p. 2400157, 2024.

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' Y. K. x) j; B! W; ]: h0 H% K  D3 ]深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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