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作者及机构
本研究的主要作者包括T. Umezawa、P. T. Dat、E. Hase、K. Kashima、A. Kanno、K. Akahane、A. Matsumoto、N. Yamamoto和T. Kawanishi。他们分别来自日本的国家信息通信技术研究所（National Institute of Information and Communications Technology, NICT）、日立国际电气株式会社（Hitachi Kokusai Electric, Ltd.）以及早稻田大学（Waseda University）。该研究发表于2017年的OFC/OSA会议上。
学术背景
随着无线和固定光纤通信网络数据流量的快速增长，模拟射频光纤（Radio over Fiber, RoF）技术被广泛应用于解决高数据流量问题。然而，在人口密集区域，大量天线单元的安装和电力需求成为一个严重问题。因此，简化天线单元的需求日益迫切。光纤供电（Power over Fiber, PoF）技术通过光纤传输电力，被提议用于高压电力线的在线监测系统。此外，多芯光纤（Multi-Core Fiber, MCF）在支持高数据速率传输方面表现出色。本研究的目的是开发一种集成了100 GHz光电转换器和100 GHz射频放大器的模块，用于通过多芯光纤同时传输射频信号和电力，从而实现节能的无线信号传输。
研究流程
1. 100 GHz光电转换器模块的设计
研究团队设计了一种新型的光电接收模块，该模块包括一个100 GHz光电探测器（Photodetector, PD）、一个100 GHz射频放大器和一个偏置T电路。光电探测器能够在零偏置电压下工作，并同时生成射频信号和电力。为了实现这一功能，研究团队设计了一种基于零偏置操作的单行载流子（Uni-Travelling Carrier, UTC）光电探测器结构。该结构由p掺杂的InGaAs光吸收层和InP载流子收集层组成。通过优化这两层材料，研究团队在0 V条件下实现了高电子漂移速度和低p-n结电容。实验证明，即使在不施加偏置电压的情况下，该光电探测器也能实现超过100 GHz的3 dB带宽。
电力生成与射频生成特性测试
研究团队测试了光电转换器在不同光功率下的电压和电流生成特性。在1-10 mW的光功率范围内，生成的电压为0.60-0.66 V，电流为0.2-1.8 mA。此外，通过测量光电转换器的光电转换效率，研究团队发现输出功率与输入光功率成正比，且在20 mW的输入光功率下，光电转换器能够生成1.35 mW的电力，转换效率为7%。这些结果足以驱动射频放大器的栅极偏置。
100 GHz射频放大器的设计
研究团队采用InP-pHEMT工艺设计了一种100 GHz高速放大器。该放大器的最大振荡频率高达300 GHz，并且设计了一个四阶段高增益放大器。实验结果显示，在100 GHz中心频率下，放大器的3 dB带宽为20 GHz，增益为20 dB，功耗低于70 mW。此外，研究团队还验证了光电转换器生成的电力足以驱动放大器的栅极偏置。
多芯光纤中的射频与电力传输实验
研究团队首先通过单模光纤进行了射频与电力同时传输的实验，验证了光电接收模块在无外部电源供应下的工作性能。随后，研究团队使用七芯光纤进行了同样的实验，验证了在多芯光纤中同时传输射频信号和电力的可行性。实验结果表明，在+3.3 dBm的输入光功率下，误码率（BER）为1×10⁻³，且在多芯光纤中未观察到芯间串扰的影响。
主要结果
1. 研究团队成功开发了一种100 GHz光电转换器模块，能够在零偏置电压下同时生成射频信号和电力。
2. 光电转换器在1-10 mW的光功率范围内生成的电压为0.60-0.66 V，电流为0.2-1.8 mA，光电转换效率为7%。
3. 100 GHz射频放大器在100 GHz中心频率下的3 dB带宽为20 GHz，增益为20 dB，功耗低于70 mW。
4. 通过多芯光纤进行的射频与电力传输实验验证了模块的性能，在+3.3 dBm的输入光功率下，误码率为1×10⁻³，且未观察到芯间串扰的影响。
结论
本研究开发了一种100 GHz光电转换器模块，能够同时生成100 GHz射频信号和电力，并通过多芯光纤实现了射频与电力的同时传输。实验结果表明，该模块在12 Gbps的数据速率下实现了低误码率和高能效，且在多芯光纤中未观察到芯间串扰的影响。该研究为未来的高能效无线通信系统提供了重要的技术支持。
研究亮点
1. 开发了一种能够在零偏置电压下同时生成射频信号和电力的光电转换器，具有高带宽和高转换效率。
2. 设计了一种低功耗、高增益的100 GHz射频放大器，并验证了其与光电转换器的集成性能。
3. 通过多芯光纤实现了射频与电力的同时传输，验证了模块在实际应用中的可行性和性能。
其他有价值的内容
本研究还展示了光电转换器在不同光功率下的电压和电流生成特性，以及射频放大器的频率响应特性。这些结果为未来类似研究提供了重要的参考数据。