Rețele wireless alimentate cu lasere ating 362,7 Gbps și reduc consumul la jumătate față de Wi‑Fi

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetare a demonstrat un sistem compact de comunicații wireless bazat pe lumină care ar putea transforma modul în care sunt gestionate traficul și consumul energetic în spațiile interioare. Construit în jurul unui cip mic ce conține zeci de lasere miniature, transmitătorul optic înregistrează viteze aggregate excepționale și un consum de energie pe bit mult mai scăzut decât tehnologiile radio convenționale, deschizând calea pentru puncte de acces eficiente, integrate în tavan, corpuri de iluminat sau chiar în dispozitive compacte.

Sistemul pe cip: matrice VCSEL 5 × 5 și proiectare optică atent controlată

Elementul central al demonstratorului este o matrice personalizată 5 × 5 de lasere cu emisie de suprafață în cavitate verticală (VCSEL). Aceste lasere în infraroșu sunt folosite frecvent în centre de date și în tehnologii de detecție datorită eficienței lor și a capacității de a opera la viteze foarte mari. Matricea conține 25 de emițătoare, fiecare putând fi controlat independent pentru a transmite fluxuri proprii de date.

Cipul rezultat are dimensiuni inferioare unui milimetru și a fost produs cu tehnici semiconductoare standard, ceea ce face platforma scalabilă și compatibilă cu procese industriale existente. Cercetătorii au montat cipul pe un circuit imprimat personalizat și au observat, în testele inițiale, performanță consecventă pe întreaga matrice, cu ieșire stabilă și suport pentru transmisii de mare viteză.

Distribuția și modelarea fasciculelor

Pentru a evita suprapunerile care ar genera interferențe atunci când sunt folosite multiple fascicule simultan, echipa a dezvoltat un bloc optic care modelează și direcționează fiecare fascicul cu precizie. Un aranjament de microlentile aliniază și îndreaptă lumina provenită de la fiecare laser, iar un set adițional de lentile organizează fasciculele într-o grilă structurată de zone pătrate de iluminare la suprafața receptorului.

La distanța de test — doi metri — distribuția luminii a atins o uniformitate de peste 90% pe suprafața iluminată. Acest tipar asigură ca fiecare fascicul să acopere o regiune specifică cu suprapuneri reduse, permițând atribuirea fiecărui fascicul unui utilizator sau unui dispozitiv diferit din aceeași încăpere.

Viteze record și limitările experimentale

Pentru a evalua capacitatea sistemului, cercetătorii au construit un link optic în spațiu liber lung de doi metri. Fiecare laser a transmis date utilizând o metodă de modulație care împarte informația în mai multe canale de frecvență înghesuite, maximizând eficiența lățimii de bandă și adaptându-se dinamic la variațiile calității semnalului.

Dintre cei 25 de laseri, 21 au fost activați în timpul testelor. Rata de transmisie măsurată pentru emițătorii individuali a fost între aproximativ 13 și 19 gigabiți pe secundă. Combinat, sistemul a atins o rată totală de 362,7 gigabiți pe secundă, plasându-se printre cele mai ridicate viteze raportate pentru un transmitător optic la scară de cip conectat la un receptor în spațiu liber.

Cercetătorii au subliniat că performanța a fost limitată de lățimea de bandă a fotodetectorului comercial folosit în experiment. Cu receptoare mai avansate, același aranjament ar putea permite atingeri de viteze chiar mai mari.

Conectivitate multiutilizator demonstrată

Capacitatea de a folosi multiple fascicule în paralel ridica problema interferențelor reciproce. Testele practice au arătat însă că, prin modelarea și poziționarea atentă a fasciculelor, conexiunile paralele pot rămâne stabile. Într-un experiment cu patru fascicule active simultan, fiecare legătură și-a menținut stabilitatea, livrând împreună o rată combinată de aproximativ 22 gigabiți pe secundă.

Rezultatele demonstrează că mai multe legături optice pot funcționa în aceeași încăpere fără interferențe semnificative, ceea ce susține ideea distribuirii conexiunilor între utilizatori diferiți pentru a prelua traficul de mare capacitate.

Eficiență energetică: aproximativ jumătate față de Wi‑Fi

Pe măsură ce cererea pentru date wireless crește, eficiența energetică devine tot mai importantă. Sistemul optic utilizat în aceste experimente folosește surse laser cu eficiență intrinsecă ridicată, capabile să opereze la viteze mari fără cerințe energetice complexe. Măsurătorile efectuate au indicat un consum energetic de aproximativ 1,4 nanojouli per bit transmis, adică aproximativ jumătate din energia per bit a tehnologiilor Wi‑Fi de vârf în condiții comparabile.

Reducerea consumului pe bit poate conduce la costuri operaționale mai mici și la un impact de mediu redus atunci când astfel de sisteme sunt adoptate pentru a gestiona traficul dens din birouri, săli publice sau centre de date.

Complementaritate cu rețelele existente și perspective de integrare

Cercetătorii subliniază că tehnologia de comunicații optice nu este propusă ca înlocuitor al Wi‑Fi sau al rețelelor celulare, ci ca o soluție complementară. Prin preluarea traficului de mare capacitate în interiorul clădirilor sau în zone aglomerate, sistemele optice pot degreva benzile radio și pot îmbunătăți experiența utilizatorilor.

Perspectivele practice includ implementarea platformelor în tavan, în corpuri de iluminat sau în puncte de acces dedicate, oferind conexiuni rapide, sigure și eficiente din punct de vedere energetic către mulți utilizatori simultan. Dimensiunea redusă a cipului și compatibilitatea cu tehnologiile convenționale de fabricație sugerează că integrarea pe scară largă ar putea fi fezabilă tehnic.

Detalii despre studiu și referințe

Lucrarea care descrie aceste rezultate a fost publicată în jurnalul Advanced Photonics Nexus. Autorii incluși în referința științifică sunt: Hossein Safi, Sina Babadi, Isaac N. O. Osahon, Adrian Sparks, Ioannis Kostakis, Denise Powell, Wyn Meredith, Mohamed Missous, Medi Missous, Iman Tavakkolnia și Harald Haas.

Pentru context editorial și sinteză, articolul a fost distribuit de SPIE—International Society for Optics and Photonics. Mai multe detalii despre prezentarea tehnologiei sunt disponibile în comunicatul SPIE și în fișa jurnalului: Comunicarea SPIE despre conexiunile optice rapide și eficiente și în lucrarea științifică publicată cu DOI: 10.1117/1.APN.5.2.026018. De asemenea, sinteza de presă este disponibilă pe pagina editorială: ScienceDaily — Laser-powered wireless hits 360 Gbps and uses half the energy of Wi‑Fi.

Experimentele au oferit dovezi practice că o abordare care combină matrice de lasere la scară de cip, transmisie multi‑canal și optică de modelare a fasciculelor poate livra performanțe remarcabile pentru scenarii de utilizare în interior. Limitările identificate, precum dependența de capabilitățile receptoarelor folosite, indică direcții clare pentru optimizări viitoare ale sistemului.