[论文解读] Ethernet-over-OWC Using VCSELs: Transparent Gigabit Links with Low Latency and Robust Alignment Tolerance

Hossein Safi, Isaac N. O. Osahon+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2026

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一句话总结

论文展示了一个完全双向、透明的1-Gb/s 以太网通过OWC链路，在1米自由空间路径上，使用980-nm VCSEL–PIN对与现成组件，实现子25 ns 延迟和厘米级对准容错。

ABSTRACT

We demonstrate a fully bidirectional 1 Gbs Ethernet over OWC link over a 1m free space path using a VCSEL-PIN pair and only commercially available components. The unamplified, transparent system achieves error-free operation, with a latency of less than 25 ns, and a centimetre-scale alignment tolerance.

研究动机与目标

• 将以太网作为短距离高吞吐网络的透明无线扩展的动机。
• 展示一个使用现成组件且不放大放大前提的完全双向以太网通过OWC链路。
• 在1米自由空间路径上实现接近原生以太网性能（吞吐量、延迟和误码率）。

提出的方法

• 直接由SFP评估板驱动的980-nm VCSEL，未使用放大或预强调。
• 通过夹在铜到以太网介质转换器、SFP模块和1-m自由空间链路之间，实现即插即用的全双工以太网桥。
• 使用硅PIN光电探测器检测并通过对向路径重新发射，以实现真正的双向操作。
• 用眼图和Q因子来衡量信号质量以估算BER；用基于VNA的群时延评估来评测延迟。
• 通过接收端的横向位移来评估错位容忍度并记录Q因子变化。

Fig. 1 : Schematic of the experimental setup for a bidirectional 1-Gb/s Ethernet-over-OWC link. Standard Ethernet traffic is converted to optical via media converters and SFP modules, modulated by a VCSEL transmitter, transmitted across a 1-m optical wireless channel, and detected by a PIN photodiod

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在1米自由空间路径上使用未放大的VCSEL–PIN前端实现1-Gb/s以太网的双向传输？
• RQ2 这种以太网通过OWC链路的端到端延迟是多少，以及与透明性能的接近程度如何？
• RQ3 错位对链路的鲁棒性如何，厘米级精度下可实现何种对准容忍度？
• RQ4 在实际流量条件下，系统是否满足以太网类型吞吐量且无需协议转换？

主要发现

• 实现了1-Gb/s全双工以太网通过OWC的双向传输，吞吐量超过900 Mb/s（Q > 7）。
• 对于1米自由空间路径，端到端延迟小于25 ns，包含约3.3 ns 的传播时间。
• 最佳对准下Q因子为7.44，BER约为1e-13，明显满足以太网要求（约1e-12）。
• 错位容忍度在左右大约为±5.46 mm（左）和±6.09 mm（右，总共约1.155 cm），边缘BER<1e-9。
• 仅使用现成组件和每个方向的未放大VCSEL–PIN对，实现一个实用的即插即用光无线以太网桥。

Fig. 2 : Photographs of the experimental Ethernet-over-OWC link setup corresponding to Fig. 1 . (a) Optical setup showing the Tx and Rx optical subsystems. (b) Electrical setup comprising the server, media converters, and SFP evaluation boards, collectively implementing a fully transparent bidirecti