Carmen Vázquez（Senior Member, IEEE）及其团队于2019年10月30日在《IEEE Access》期刊上发表了题为“Multicore Fiber Scenarios Supporting Power Over Fiber in Radio Over Fiber Systems”的研究文章。这篇文章由西班牙马德里Carlos III大学电子技术系的研究人员完成，研究得到了多方支持，包括西班牙科技创新部、马德里研究与创新局，以及欧盟H2020项目的资助，同时也隶属于5G PPP BlueSpace项目。以下为对该研究的详细总结。

研究背景与目的

该研究主要聚焦于多芯光纤(multicore fibers, MCF)在无线电光纤系统（Radio over Fiber Systems, RoF）中支持光纤传输功率（Power over Fiber, PoF）的应用。PoF技术最早在1978年被提出，用于通过光纤供电声音报警器，显示了将光能转换为其他形式能量的可行性。随后经过几十年的发展，PoF逐步在远程天线供电等应用场景中展现其潜力，尤其是与RoF技术结合的应用。在即将到来的5G时代，高带宽覆盖需求和密集化部署将显著增加远端无线电头端（Remote Radio Heads, RRHs）的能源需求，因此低能耗的天线单元及节能策略变得至关重要。而多芯光纤不仅通过空间分复用（Spatial Division Multiplexing, SDM）提高了网络容量，还具有降低占地面积的优势。本研究旨在将PoF技术与多芯光纤相结合，为5G前传架构设计集成供电和数据传输的新型解决方案。

研究流程与实验细节

工作流程

本研究涵盖以下步骤：

1. 文献回顾与现状分析
   结合过去PoF技术在RoF系统中的实验结果，总结了不同光纤（如多模光纤和双包层光纤）在功率供给中的应用表现，并统计了现有商用产品的主要参数和限制。

2. PoF多芯光纤架构设计
   提出了两种主要架构：

   • 共享芯结构（Shared Cores）：即在单一核心中同时传输数据与功率。
   • 专用核心结构（Dedicated Power Cores）：部分核心用于传输功率而不承担数据任务。
     这些架构采用了特殊的无源器件组合，如波分复用器（MUX/DEMUX）和高功率光纤耦合设备，以保持低插入损耗并实现高隔离度。此外，设计加入了支持备用电池和反馈回路的硬件能量管理模块（Hardware Energy Manager, HEM）。

3. 能量传递的效率和传输限制分析
   研究通过实验和仿真对以下因素展开深入分析：

   • 不同光纤衰减情景和激光线宽对传输效率的影响。
   • 极限功率的分布规律，包括非线性效应（如受激布里渊散射与受激拉曼散射）和纤维熔化效应（Fiber Fuse）。
   • 各类光纤（如单模光纤、多模光纤和密集耦合多芯光纤）的有效模式面积（Effective Mode Area）对系统传输表现的影响。
   • Crosstalk（串扰）对于不同核心设计的影响。

4. 仿真与实验验证
   开发并使用Virtual Photonics Instrumentation（VPI）工具对系统进行多种仿真，模拟不同传输长度和输入功率情景中的功率分配。结合实际实验，验证理论模型预测的效能。

实验与自创方法

核心实验采用4核多芯光纤，输入功率最高可达300mW，并对共享芯和专用核心场景下的数据比特误码率（Bit Error Rate, BER）进行了对比测量。同时使用了光谱仪、网络仿真与测量设备，对两种架构的性能指标作了评估。研究还开发了新的理论模型，用以计算非线性效应和纤维熔化现象对功率阈值的影响。

主要研究结果

1. 功率传输效率
   在不同操作波长和光纤类型下，系统能耗效率（SEE）随传输距离显著减小。研究发现，光纤衰耗对传输效率的主要影响在1-15 km范围内逐步显现。当采用线宽>100 GHz的高功率激光器（HPL, High Power Laser）时，非线性散射效应的影响可被显著降低。

2. 功率极限分析
   对于共享芯场景，功率传递会受到较强的非线性和串扰（Crosstalk）影响，而专用核心场景能够有效避免此类问题，且能够容许更高的功率输入（最高可达1 W/核心）。在设置传输长度为10公里的场景下，使用7核多芯光纤可传递总功率达到约3.5 W。

3. 误码率影响
   无论是共享芯还是专用核心设计，研究在4核多芯光纤中均实现了BER稳定在10⁻¹¹以下，保证了信号传输的质量。实验验证了功率输出对数据性能的影响较小。

4. 串扰与温度影响
   仿真显示，7核多芯光纤在10公里传输范围内，串扰（XTalk）水平优于-50 dB；温度升高会降低串扰的负面影响，而更高温度的变化对于传输距离的影响较为稳定且可忽略。

研究结论及意义

本研究首次尝试将PoF技术与多芯光纤相结合，在5G前传网络架构中提出了一种具有潜在应用价值的解决方案。研究展示了专用核心设计具有更高功率传递效率和较低噪声干扰的优势。研究的结论对未来5G无线接入网络的小型化、低功耗设计提供了重要启示，也证明了MCF技术在提升网络容量和提高系统集成度方面的应用潜力。

此外，研究以理论与实验结合的方式，全面评估了非线性效应、功率分配极限及串扰等挑战，为光纤技术的进一步优化提供了科学依据。

研究亮点

• 提出了“共享芯”和“专用核心”两种创新架构，并对其进行了系统性分析。
• 系统性地模拟并验证了多芯光纤在数据与功率同时传输中的误码率表现。
• 开展了首个专注于MCF架构下PoF技术功率效率极限分析的研究。
• 为MCF在未来低功耗5G网络中的广泛应用奠定了理论基础。

总结

此研究通过分析多芯光纤在PoF和RoF系统中的潜力及挑战，为提升5G网络前传架构的综合性能提供了技术指南，具备重要的学术价值和商用意义。