Беспроводная связь и оптические технологии – новые решения для замкнутых пространств

Трудно представить себе современную жизнь без быстрых и надежных беспроводных сетевых соединений. Видеозвонки, потоковые сервисы, виртуальная реальность и различные интеллектуальные устройства предъявляют постоянно растущие требования к сетям. Большая часть беспроводных данных сегодня передается с помощью радио технологий, таких как Wi-Fi и сотовые системы.

Однако, перегруженность радиочастотного спектра, различные помехи в помещениях и рост энергопотребления по мере подключения всё новых и новых устройств порождают серьёзные проблемы.

Одним из направлений развития беспроводной связи рассматриваются оптические технологии, поскольку световые волны могут обеспечить гораздо большую пропускную способность передачи данных. Кроме того, световой пучок может быть очень точно позиционирован. Эти особенности представляются особенно привлекательными для использования в жилых, офисных, социальных и административных помещениях, где сразу большому количеству пользователей требуется высокоскоростное подключение к сети.

В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Photonics Nexus, авторы представили компактный оптический беспроводной передатчик, который сочетает в себе очень высокую скорость передачи данных с повышенной энергоэффективностью. Он собран на небольшом чипе, содержащем массив миниатюрных полупроводниковых лазеров и оптическую систему адресной доставки светового пучка. Все вместе эти элементы и образуют масштабируемую платформу для организации высокоскоростной беспроводной связи.

Передача данных с помощью множества миниатюрных лазеров

В основе принципиальной схемы лежит матрица 5×5 лазеров с вертикальным излучением VCSEL. Каждый лазер имеет индивидуальную адресацию и может формировать собственный поток. Благодаря параллельному использованию множества лазеров разработчики смогли обеспечить намного большую общую пропускную способность, чем один источник. А благодаря размеру чипа (менее одного миллиметра), он может быть легко интегрирован в любые устройства, вплоть до смартфонов.

Высокоскоростные оптические беспроводные линии связи

Тестовая оценка производительности разработки была проведена на оптической линии связи длиной два метра. В ходе экспериментов отдельные лазеры обеспечивали скорость передачи данных от 13 до 19 гигабит в секунду. При консолидации система достигла суммарной скорости передачи данных в 362,7 гигабит в секунду. На сегодня это один из самых высоких показателей для оптического беспроводного передатчика.

При этом достигнутые скорости были ограничены лишь полосой пропускания стандартного фотодетектора на приёмнике, использованном для измерений.

Формирование дифференцированного светового потока из множества источников

Одновременное распространение большого количества лучей создаёт другую проблему. Если они будут слишком сильно перекрываться, то смогут создавать помехи друг другу, что затруднит разделение потоков для разных приемников. Чтобы решить эту проблему, команда разработала компактную оптическую систему, в которой матрица микролинз сначала коллимирует (создаёт пучок параллельных лучей с минимальной расходимостью), а затем дополнительные линзы перераспределяют лучи в виде некоторой структурированной сетки. Такое решение обеспечивает покрытие каждым лучом определенной области с минимальным перекрытием и позволяет дифференцированно назначать разные лучи разным пользователям или устройствам в пределах одного помещения.

В ходе демонстрационного теста с четырьмя активными лучами общая скорость передачи данных составила около 22 гигабит в секунду. При этом несколько оптических беспроводных линий связи смогли функционировать параллельно без существенных помех друг для друга.

Снижение энергопотребления на бит информации

Энергоэффективность является ключевой задачей для будущих беспроводных сетей, особенно в связи с продолжающимся стремительным ростом трафика данных.

В представленной разработке использовались лазерные источники, которые, как известно, отличаются высокой энергоэффективностью. Измеренное в ходе экспериментов потребление энергии передатчика составило примерно 1.4 наноджоуля на бит, что почти вдвое меньше, чем при использовании самого современного Wi-Fi в сопоставимых условиях.

Дополнение к существующим беспроводным сетям

В своей статье исследователи подчеркивают, что предложенное ими решение предназначено не для замены Wi-Fi или мобильных сетей, а для их дополнения и, прежде всего, разгрузки.

В будущем подобные оптические устройства могли бы быть интегрированы в осветительные приборы, потолки или точки доступа, обеспечивая быстрое, безопасное и энергоэффективное беспроводное подключение сразу для многих пользователей, находящихся в одном помещении.

Источник: TechXplore

Изображение от rawpixel.com on Magnific.com