Возможно, в один прекрасный день беспроводные коммуникации на основе света станут использоваться повсеместно. Исследователи из Facebook сделали наступление этого дня более реальным, продемонстрировав концептуально новый подход для обнаружения оптических сигналов связи, передаваемых по воздуху.
Новый детектор преодолевает ключевую проблему в использовании света для беспроводных коммуникаций. С достигаемой скоростью передачи данных более чем 2 Гбит/с, новый подход к фотодетекции может значительно упростить использование пространственной оптической связи.
Современные высокоскоростные проводные коммуникационные сети используют лазеры для передачи информации через оптические волокна, но беспроводные сети в настоящее время реализуются на основе радиочастотного или микроволнового электромагнитного излучения. С верой в то, что в один прекрасный день беспроводные коммуникации на основе света станут использоваться повсеместно, исследователи из специализированного подразделения компании Facebook под названием Connectivity Lab создали и продемонстрировали концептуально новый подход для обнаружения оптических сигналов связи, передаваемых по воздуху.
Исследователи разработали новый способ захвата и концентрации света для пространственной оптической связи. Флуоресцентные оптические волокна поглощают синий цвет, распространяемый с любой стороны через большую площадь, и излучают зеленый свет, передаваемый через оптические волокна на очень быстрый фотодетектор.
Команда исследователей описала новую технологию, которая может стать основой для реализации быстрых оптических беспроводных сетей будущего, способных доставить Интернет-услуги в отдаленные места, в журнале Optica, издаваемом Оптическим обществом (The Optical Society).
Специализированное подразделение Connectivity Lab компании Facebook разрабатывает технологии, призванные сделать доступными Интернет-услуги для примерно четырех миллиардов людей во всем мире, которые в настоящее время не имеют доступа во Всемирную сеть. «Большая часть населения нашей планеты не подключена к сети Интернет, так как беспроводная коммуникационная инфраструктура отсутствует или развита недостаточно в тех областях, где они живут. Это в большинстве своем сельские регионы», — поведал Тобиас Тике (Tobias Tiecke), глава исследовательской группы. — «Мы разрабатываем коммуникационные технологии, которые оптимизированы для районов, где люди живут в отдалении друг от друга».
Беспроводные коммуникации на основе светопередачи, которые также еще называют пространственной оптической связью, открывают перспективный способ доставки Интернет-услуг в те области, куда прокладывание оптоволоконного кабеля и где разворачивание сотовых вышек экономически невыгодны. Использование лазерного света для передачи информации по воздуху теоретически могут предложить высокую пропускную способность и обеспечить быструю передачу больших объемов данных, но главное препятствие для реализации и эффективного использования подобных методов коммуникации заключается в том, как точно направить очень маленький лазерный луч, переносящий информацию, на крошечный световой детектор, который находиться на некотором расстоянии от источника.
В своем новом исследовании технические специалисты из компании Facebook использовали способ пространственной оптической передачи данных, где для сбора света использовали флуоресцентные материалы вместо традиционной оптики, после чего он направлялся на маленький фотодетектор. Они объединили этот световой коллектор, который занимает 126 квадратных сантиметров поверхности, способной со всех сторон улавливать световой поток, с существующими современными телекоммуникационными технологиями, что позволило исследователям достигнуть скорости передачи данных более чем 2 Гбит/с.
«В своем исследовании мы использовали флуоресцентные оптические волокна, которые поглощают один цвет света и испускают другой цвет», — рассказал Тобиас Тике. — «Оптические волокна поглощают свет, идущий с любой точки на большой территории, и излучают свет, который распространяется внутри оптического волокна, через который он, как через туннель, попадает на очень быстрый фотодетектор».
Высокоскоростным пространственным оптическим сетям требуются очень быстрые детекторы, чтобы получать данных из лазерного луча, переносящего информацию. Однако, скорость должна быть сбалансирована с размером; хотя более крупные детекторы и являются более легкими мишенями для попадания в них лучом лазера, распространяющегося по воздуху, но увеличение размера детектора делает его медленнее.
Комбинированное использование оптических и механических систем может быть применено для отслеживания местоположения детектора и направления на него луча лазера, но такой подход очень сложен и имеет свои ограничения в применении. Новые световые коллекторы используют пластиковые оптические волокна, содержащие органические молекулы красителя, которые поглощают синий цвет и излучают зеленый. Эта установка заменяет классическую комбинацию оптики и подвижной платформы, которые обычно используют для направления света в зону сбора.
«Тот факт, что эти флуоресцентные оптические волокна излучают другой цвет, по сравнению с тем, который они принимают, позволяет повысить яркость света, входящего в систему», — отметил Тобиас Тике. — «Такой подход используется в люминесцентных концентраторах для сбора солнечного света, где скорость преобразования цвета не имеет значения. Мы же доказали, что подобная концепция может быть использована в коммуникациях, чтобы обойти процессы наведения и отслеживания проблем, которые усложняют беспроводную оптическую передачу данных на очень больших скоростях».
Достижение быстрых скоростей становится возможным, так как промежуток между поглощением синего света и появлением зеленого свечения составляет менее чем 2 наносекунды. Кроме того, благодаря применению метода высокоскоростной цифровой схемы модуляции сигнала, известного как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, исследователи смогли передавать данные со скоростью 2 Гбит/с. И это несмотря на то, что ширина полосы пропускания системы составляет всего 100 МГц. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (от английского Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM) представляет собой метод высокоскоростной передачи, при котором последовательный поток информации разбивается на блоки, формируя множественные потоки данных, которые передаются параллельно. Отметим также, что цифровая схема модуляции OFDM обычно не используется для лазерной коммуникации, а в основном применяется в проводной и беспроводной связи.
«Мы достигли таких высоких скоростей передачи данных применяя коммерчески доступные материалы, которые не предназначены для практического применения в коммуникациях», —похвалился Тобиас Тике. — «Мы бы хотели, чтобы другие исследовательские группы проявили свой интерес к разработке материалов, которые были бы специально предназначены для коммуникационного практического применения».
«Если бы были разработаны материалы, которые действуют в инфракрасной части спектра, невидимого для людей, и которые бы работали быстрее реализованной нами сине-зеленой световой системы, то новый подход мог бы обеспечить теоретические скорости пространственной оптической передачи данных превосходящие 10 Гбит/с», — заявил г-н Тике.
В своей работе в журнале Optica исследователи демонстрируют световой коллектор в форме электрической лампочки, выполненный из пучка флуоресцентных оптических волокон. Хотя для работоспособной реализации подойдут множества разнообразных форм, шарообразная форма в виде лампочки накаливания обеспечивает для передачи очень большую ширину полосы пропускания и всенаправленную чувствительность, что означает, что такая система будет прекрасно работать с мобильными устройствами, которые перемещаются в пространстве относительно передатчика. Исследователи также показали, что такая геометрия светового коллектора позволяет собирать свет на относительно большой площади поверхности размером 126 квадратных сантиметров, что делает всю систему менее чувствительной к юстировке.
«Наш детектор поглощает одинаковую мощность и получает один и тот же коммуникационный сигнал вне зависимости от точности проведенной юстировки», — рассказал Тобиас Тике.
В дополнение к планам по привлечению партнеров для разработки новых материалов, исследовательская группа в ближайшее время также хочет вывести эту технологию из лабораторных условий, разработав прототип, который можно будет протестировать в условиях реального мира. «Мы изучаем возможности для реализации коммерческого продукта», — поведал г-н Тике. — «Это очень новая система, поэтому у нас сейчас есть очень много путей для дальнейшего ее развития».
Подписка на новости