Новый стандарт беспроводной связи: быстрая и экологичная передача данных

Современный мир немыслим без мгновенного и стабильного доступа к сети. Видеоконференции, стриминговые сервисы, виртуальная реальность и умные устройства постоянно увеличивают нагрузку на существующие сети. Сегодня основная часть беспроводной передачи данных осуществляется посредством радиочастотных технологий, таких как Wi-Fi и сотовые сети.

Несмотря на их огромный успех, эти технологии сталкиваются с серьезными проблемами: перегруженность радиочастотного спектра, помехи в густонаселенных помещениях и растущее энергопотребление с увеличением числа подключенных устройств.

Перспективной альтернативой является оптическая беспроводная связь, которая использует свет для передачи информации вместо радиоволн. Свет обладает значительно большей пропускной способностью, не создает помех существующим беспроводным системам и может быть точно направлен на конкретные точки.

Эти преимущества делают оптические беспроводные соединения особенно привлекательными для использования в помещениях: офисах, домах, дата-центрах, больницах и общественных местах, где многим пользователям одновременно требуются высокоскоростные соединения.

В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Photonics Nexus, ученые представили компактный оптический беспроводной передатчик, который сочетает в себе очень высокие скорости передачи данных и повышенную энергоэффективность. Система построена на основе крошечного чипа, включающего массив миниатюрных полупроводниковых лазеров и специально разработанную оптическую систему для формирования лучей, передающих данные пользователям. Эта платформа обещает стать масштабируемым решением для высокоемкой беспроводной связи внутри помещений.

Передача данных с помощью множества миниатюрных лазеров

В основе системы лежит изготовленный на заказ массив вертикально-излучающих лазеров с поверхности (VCSEL) размером 5x5. Эти лазеры излучают инфракрасный свет и широко используются в дата-центрах и сенсорных системах благодаря их высокой эффективности и возможности работы на высоких частотах модуляции. Важно отметить, что VCSEL могут быть произведены в виде больших массивов с использованием стандартных технологий полупроводникового производства.

В данном исследовании каждый лазер в массиве управляется индивидуально и способен передавать собственный поток данных. Работая параллельно, множество лазеров значительно увеличивает общую емкость передачи данных по сравнению с одним источником света.

Весь массив лазеров умещается на чипе размером менее миллиметра, что позволяет легко интегрировать его в компактные беспроводные точки доступа или даже в такие устройства, как смартфоны.

Команда изготовила массив лазеров с использованием отработанных полупроводниковых процессов и установила готовый чип на специально разработанную печатную плату. Первоначальные тесты показали стабильную работу лазеров по всему массиву, с постоянной выходной мощностью и поддержкой высокоскоростной модуляции.

Высокоскоростные оптические беспроводные соединения

Для оценки производительности исследователи развернули оптический канал прямой видимости длиной два метра. Каждый лазер управлялся с помощью метода модуляции, который разделяет данные на множество близко расположенных частотных каналов. Это позволяет системе эффективно использовать доступную полосу пропускания и адаптироваться к изменениям качества сигнала.

В ходе экспериментов были задействованы 21 из 25 лазеров. Отдельные лазеры достигали скорости передачи данных от 13 до 19 гигабит в секунду. В совокупности система обеспечила агрегированную скорость передачи данных в 362,7 гигабит в секунду. Это один из самых высоких показателей пропускной способности, когда-либо зарегистрированных для чип-масштабного оптического беспроводного передатчика, использующего приемник прямой видимости.

Исследователи отмечают, что достигнутые скорости были ограничены полосой пропускания коммерческого фотодетектора, использованного в измерениях. С более быстрыми приемниками та же архитектура передатчика могла бы обеспечить еще более высокие скорости передачи данных.

Формирование света для множества пользователей

Передача множества световых лучей одновременно создает новые задачи. Если лучи слишком сильно перекрываются, сигналы могут интерферировать друг с другом, затрудняя разделение потоков данных приемниками. Для решения этой проблемы команда разработала компактную оптическую систему, которая формирует и направляет свет, излучаемый массивом лазеров.

Специально разработанный массив микролинз сначала коллимирует свет от каждого лазера. Дополнительные линзы затем перераспределяют лучи в структурированную сетку квадратных пятен освещения на плоскости приемника. Такая конфигурация гарантирует, что каждый луч покрывает определенную область с минимальным перекрытием.

Измерения показали, что сформированные лучи имели однородность более 90% на освещенной области на расстоянии двух метров. Такое структурированное освещение позволяет назначать разные лучи разным пользователям или устройствам в одной комнате.

Исследователи также протестировали многопользовательский режим, одновременно активируя несколько лазеров. В демонстрации с четырьмя активными лучами каждая линия связи поддерживала стабильную передачу данных, а система обеспечивала комбинированную скорость около 22 гигабит в секунду. Результаты показывают, что несколько оптических беспроводных каналов могут работать параллельно без существенных помех.

Сниженное энергопотребление на бит

Энергоэффективность является ключевым фактором для будущих беспроводных сетей, особенно с учетом постоянного роста трафика данных. Традиционные радиосистемы требуют все больше энергии для обеспечения более высоких скоростей передачи данных, что может стать дорогостоящим и экологически обременительным.

Представленная оптическая беспроводная система использует лазерные источники, которые естественно являются энергоэффективными и могут управляться напрямую на высоких скоростях. В результате энергия, необходимая для передачи каждого бита данных, значительно ниже, чем в типичных системах Wi-Fi. Исследователи измерили энергопотребление около 1,4 наноджоулей на бит, что примерно вдвое меньше, чем у самых современных систем Wi-Fi при сравнимых условиях.

Дополнение к существующим беспроводным сетям

Исследователи подчеркивают, что оптическая беспроводная связь не предназначена для замены Wi-Fi или мобильных сетей, а для их дополнения. Оптические каналы могут использоваться в комнатах, офисах, на производствах или в других помещениях, где требуется высокая пропускная способность, разгружая перегруженные радиосети.

В будущем подобные системы могут быть интегрированы в осветительные приборы, потолки или точки доступа, обеспечивая быструю, безопасную и энергоэффективную беспроводную связь для множества пользователей одновременно.

Объединяя массивы лазеров, высокоскоростную передачу данных и тщательно разработанную оптику в компактной платформе, данное исследование намечает практический путь к созданию беспроводных сетей нового поколения для помещений, обеспечивающих более высокую производительность без пропорционального увеличения энергопотребления.