Разработан лазерный «Wi-Fi» для помещений
Современный мир пронизан Wi-Fi. Пользоваться этим еще недавно безусловно удобным способом беспроводной связи все сложнее — эфир забит, многочисленные точки доступа мешают друг другу, каждое новое устройство, подключенное к сети, повышает энергопотребление.
Всех этих недостатков лишен свет: у него гораздо более широкая полоса пропускания, чем у радиочастот, он не создает помех существующим беспроводным системам и может быть направлен прямо в нужную точку. Эти преимущества делают оптическую беспроводную связь особенно привлекательной для внутренних помещений: офисов, жилых домов, центров обработки данных, больниц и общественных пространств.
В Британии разработали компактный оптический передатчик для высокоскоростной беспроводной связи, в основе которого — матрица из крошечных полупроводниковых лазеров. Чип размером 0,84×0,81 мм состоит из 5×5 вертикально-излучающих лазеров с поверхностным резонатором (VCSEL). Каждый из них управляется индивидуально и может передавать собственный поток данных. Параллельная работа нескольких лазеров позволяет сильно расширить общую пропускную способность, а скромные габариты — встраивать чип в мобильные устройства.
Для оценки производительности системы собрали оптическую линию связи в свободном пространстве длиной два метра. Результаты экспериментов опубликованы в Advanced Photonics Nexus.
После пайки микронными золотыми проводками из 25 VCSEL в передатчике заработал 21. Отдельные лазеры достигали скорости передачи данных от 13 до 19 гигабит в секунду.
В сумме система показала общую скорость 362,7 гигабит в секунду, а теоретический предел (если бы излучали все 25 лазеров) может превышать 430 Гбит/с. Достигнутая скорость также была ограничена полосой пропускания серийно выпускаемого фотоприемника, использованного в опытах.
Для подключения к сети нескольких устройств, чтобы они не мешали друг другу, разработана компактная оптическая система, которая формирует и направляет свет, испускаемый лазерной матрицей. Специальная микролинзовая решетка коллимирует излучение каждого лазера. Дополнительные линзы перераспределяют свет в структурированную сетку квадратных световых пятен на плоскости приемника.
Измерения показали, что сфокусированные лучи достигают более 90% равномерности освещения в поперечном сечении на расстоянии двух метров. Такая структурированная подсветка позволяет назначать разные лучи разным пользователям или устройствам в одной комнате.
В испытаниях емкость сети довели до четырех одновременно работающих устройств. В таких условиях система обеспечила суммарную скорость около 22 гигабит в секунду без существенных взаимных помех.
Лазерные источники довольно экономны по природе своей, поэтому и тут экспериментаторам есть чем похвастаться. Передача каждого бита потребовала около 1,4 наноджоуля энергии — это примерно вдвое меньше, чем у современных Wi-Fi-систем в сопоставимых условиях.
Оптическая беспроводная связь не призвана заменить Wi-Fi или мобильные сети, а скорее дополнить их, подчеркивают разработчики. В будущем подобные системы могут быть встроены в осветительные приборы, потолки или точки доступа, обеспечивая быстрые, безопасные и энергоэффективные беспроводные подключения для множества пользователей одновременно.
