Наука и техника

Сайт посвящен машинному обучению, ИИ, ГМО и многому другому технологичному

Интернет из лампочки и радиофотоника

В Научно-исследовательском центре интегральной фотоники и радиофотоники ученые разрабатывают Li-Fi передатчики и приемники, использующие для обмена информацией светодиодное освещение. Почему новая технология лучше широко распространенного Wi-Fi, рассказывает сотрудник центра Ольга Козырева:

Термин Li-Fi (Light Fidelity, по аналогии с Wi-Fi, Wireless Fidelity) появился в 2011 году, когда профессор Эдинбургского университета Харальд Хаас представил на TED Global Talks работающий прототип первого Li-Fi передатчика. В отличие от Wi-Fi, в котором для передачи информации используются радиоволны с частотой 2400 или 5200 мегагерц, Li-Fi передатчики работают с видимым и инфракрасным светом, имеющим гораздо более высокую частоту. С одной стороны, это позволяет встроить такие передатчики в обычные светодиодные лампочки, а с другой стороны — добиться сверхвысокой скорости передачи данных за счет широкой доступной полосы частот в оптическом диапазоне. Кроме того, оптические каналы связи хорошо защищены от помех и перехвата информации, безопасны для здоровья. С их помощью можно реализовать микросотовую связь и предоставить абонентам гарантированный беспроводной высокоскоростной канал.

В простейшую систему Li-Fi входят ведущий и клиентский модули, состоящие из передающей и приемной частей. В качестве приемной части используют фотоприемники, а в качестве передающей — источники инфракрасного или видимого излучения. Ведущий модуль подает модулирующий сигнал на светодиоды, которые, в свою очередь, излучают в видимом диапазоне (380–740 нанометров) и передают данные на приемники клиентского модуля. Для обратного канала от пользователя к ведущему модулю используется ближний инфракрасный диапазон (800–1550 нанометров). На данный момент в ведущие модули технологии Li-Fi устанавливают либо белые люминофорные светодиоды, либо RGB-светодиоды. В пользу первых говорит низкая стоимость, общедоступность и массовое распространение. В то же время, использование достаточно инертного желтого люминофора для получения белого света ограничивает скорость передачи данных. Поэтому потенциально RGB-светодиоды более перспективны с точки зрения скорости передачи данных, так как в них отсутствуют инертные элементы, и возможна передача данных параллельно сразу по трем каналам — красному, зеленому и синему.

Технология Li-Fi служит хорошим дополнением к Wi-Fi, так как позволяет раздавать интернет в помещениях с большим количеством людей — торговых центрах, конференц-залах и конгресс-холлах. В этом случае каждый светодиодный светильник превращается в точку доступа в интернет, и может быть реализована концепция микросот с предоставлением пользователям гарантированного высокоскоростного интернета. Кроме того, эту технологию можно использовать в местах, где радиочастотный сигнал является нежелательным — например, в самолетах, подводных лодках или операционных. Еще одним преимуществом Li-Fi считается тот факт, что светодиодное освещение в настоящий момент широко распространено в городской инфраструктуре, а значит, его можно сравнительно дешево перестроить для беспроводной передачи данных.

В центре интегральной фотоники и радиофотоники разрабатывается комплекс Li-Fi, состоящий из светильника (светодиодной панели — 64 или 16 светодиодов), Li-Fi роутера, приемного модуля и клиентского модуля. Схема этого комплекса представлена на рисунке:

Li-Fi роутер посылает на светильник модулирующий электрический сигнал, который преобразуется в оптический сигнал. Клиентский модуль принимает сигнал и расшифровывает его для конечного пользователя. Обратный канал построен на инфракрасном свете. На данный момент нами получены скорости передачи данных, сравнимые со скоростями Wi-Fi — 20 мегабит в секунду по видимому свету и 50 мегабит в секунду по инфракрасному каналу на расстоянии около трех метров. В теории скорость передачи по таким каналам может достигать 220 гигабит в секунду.

Кроме того, помимо технологии Li-Fi наш научно-исследовательский центр занимается радиофотоникой. Радиофотоника — это «скрещивание» света (фотонов) и СВЧ-сигналов. Другими словами, в радиофотонных устройствах электрический сигнал высокой или сверхвысокой частоты («радио-») подается на лазер или светодиод, модулируя во времени излучение прибора («-фотоника»). Чтобы такая модуляция была эффективной, нужно согласовать сопротивления диода и высокочастотного тракта. Для решения этой задачи сотрудники центра численно моделируют устройства, изготавливают макетные платы для проверки корректности модели и исследуют их на векторном анализаторе цепей. Такой прибор позволяет полностью охарактеризовать компоненты СВЧ-сигнала: измерить коэффициенты отражения и пропускания, определить фазу сигнала, найти S-параметры любого четырехполюсника, из которых можно вычислить полное активное и реактивное сопротивление электронных компонент схемы вплоть до частот порядка 40 гигагерц. Такой подход позволил нам разработать быстродействующий фотоприемник спектрального диапазона 1000–1600 нанометров (ближний инфракрасный свет) с полосой пропускания до 20 гигагерц. Разработка фотоприемника включала в себя следующие стадии:

  1. Моделирование гетероструктуры кристалла (гетероструктура — это слоистая структура, состоящая из нескольких полупроводников с разной шириной запрещенной зоны)
  2. Рост гетероструктуры
  3. Измерение параметров (активного и реактивного сопротивления) полученного кристалла фотоприемника на зондовой станции MPI TS150. Зондовая станция оснащена СВЧ-зондами по типу Ground-Signal-Ground и иглами. Такие зонды позволяют измерить основные характеристики кристаллов и разбраковать (разместить) их на пластине
  4. Моделирование схемы согласования кристалла согласно измеренным параметрам
  5. Изготовление схемы согласование и проверка ее параметров на ZVA-40
  6. Изготовление корпуса фотоприемника и финальная сборка готового прибора

Также в нашей лаборатории был разработан лазер с пассивной синхронизацией мод на длине волны 1550 нанометров, излучающий импульсы длительностью 6 пикосекунд с частотой повторения 10 гигагерц. Пассивная синхронизация — это метод согласования фаз продольных колебаний в лазере, полагающийся на различные нелинейные оптические эффекты (например, самофокусировку света) и позволяющий получать сверхкороткие импульсы. Как и для фотоприемника, для лазера также был проведен полный цикл производства, начиная с моделирования гетероструктуры кристалла и заканчивая сборкой готового прибора. Выходные характеристики лазера измерялись на оптическом анализаторе спектра — BOSA 100 фирмы Aragon Photonics. Этот прибор отличается очень хорошейразрешающей способностью (0,1 пикометра), что позволяет детально исследовать спектр лазерного излучения.

 

 

Разное