研究人员开发出基于可重构 MIMO 的自供电无电池光通信系统

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在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由阿卜杜拉国王科技大学 Khaled Salama 教授领导的科学家团队及其同事开发了一种可重构的同时光波信息和电力传输 (SLIPT) 系统，该系统采用基于 MIMO 的配置，解决了现有光电二极管 (PD) 光无线通信 (OWC) 系统的局限性，旨在同时解码来自多个光束的信息，同时收集能量。
这种双重功能对于为远程物联网 (IoT) 设备供电至关重要，有助于实现无需外部电源的连续运行。他们的方法独特地将空间和时间域 SLIPT 与 PD 矩阵相结合，其中 PD 还可以配置为跟踪光束，从而缓解光束偏移和错位等问题。
他们的成果超出了预期，在单输入单输出 (SISO) 中实现了 25.7 Mbps 的最大总数据速率，在 MIMO 配置中实现了 85.2 Mbps 的净数据速率，展示了现实场景中的高速通信和高效能量收集。
该系统无需电池作为电源即可实时运行，仅靠收集的能量即可运行，在超低功耗模式下可达到 5 Mbps。这一成就提供了一个可行的概念验证，将高数据速率与自给自足的电源功能相结合，这对于包括太空在内的恶劣环境中的自主物联网设备和应用至关重要。
该研究详细介绍了两种主要运行模式：单 PD 模式和象限 PD 模式。在单 PD 模式下，系统优先利用一个 PD 接收数据，其余 PD 用于发电，从而实现能量收集，适用于能源可用性至关重要的场景。
相反，四象限 PD 模式强调数据传输，最多分配四个 PD 来接收数据。此模式可提高数据速率，但会降低总功率，表明可以根据特定应用需求进行权衡。这些模式之间的无缝切换通过嵌入式控制系统进行管理，从而实现动态适应和效率。
这些结果意味着下一代通信和能量收集系统将取得重大进展，展示了高速、节能且可自供电的光通信的可行性。未来的工作包括缩小硬件体积、提高带宽和能源效率，以及探索用于全向应用的柔性基板和微型 PD 阵列。作者还计划进一步开发基于波长的 SLIPT 方法，以增强系统的多功能性和性能。