多段光子功率转换器：用于能源收集与高速光学无线通信
系统与控制
2025-10-08 v1 系统与控制
信号处理
摘要
面向高效能源收集的高速无线通信需求，以及物联网设备的快速崛起，亟需集成能源收集与光学数据接收的系统，以此消除充电或电池更换的需求。近期研究探索了将太阳能电池作为高速数据探测器与能源收集器结合使用的方案。基于砷化镓(GaAs)的光子功率转换器(Photonic Power Converter, PPC)比基于硅或镉镉硒的电池提供了6倍的电子迁移率，从而实现更快的数据探测和更高的功率效率。然而，其带宽受制于junction电容，电容随活性区域面积增大，导致功率输出与数据速率之间存在权衡。为此，我们提出并测试了一种基于GaAs的多段PPC方案，该方案同时作为能源收集器和数据探测器使用。通过将活性区域分割为2、4或6个子电池，形成直径为1、1.5或2.08 mm的圆形区域，我们降低了电容，提升了带宽，同时保持光收集效率。在基于半绝缘GaAs衬底上制造的器件中，通过刻蚀的沟槽实现电气隔离，串联连接的子电池优化吸收并最小化寄生效应。所制作的PPC用于眼安全1.5米光学无线链路，采用自适应比特和功率加载的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术。系统实现了世界纪录的3.8 Gbps数据速率，较先前工作提升了4倍。系统将2.3 mW光束的39.7%光功率转换为电能，尽管分割会增加对准灵敏度。这些发现为面向未来通信网络（如第六代(6G)移动通信）的离网背载提供了新解决方案。
引用
@article{arxiv.2510.06205,
title = {Multi-Segment Photonic Power Converters for Energy Harvesting and High-Speed Optical Wireless Communication},
author = {Othman Younus and Behnaz Majlesein and Richard Nacke and Isaac N. O. Osahon and Carmine Pellegrino and Sina Babadi and Iman Tavakkolnia and Henning Helmers and Harald Haas},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.06205},
year = {2025}
}