脸书实验室发表光感测器概念 未来LED光通讯可望更迅速

今日的高速有线通讯网络使用雷射传送资讯到光纤,但是无线网路目前使用无线电或微波通讯。

现代科技可能实现透过光线进行无线通讯,例如目前已有利用LED灯可见光进行网路资讯传输的实例。Facebook Connectivity Lab研究人员展示了概念性的成果,侦测大气中的光通讯讯号。

脸书团队在投稿光电领域国际重要期刊Optica时,形容这项新科技能够为未来快速的光学通讯网路奠基,传送网路服务到偏远地带。

脸书的实验室发展的科技目的在于为目前无法取得网路的全球约40亿人提供经济实惠的网路服务。研究团队主持人Tobias Tiecke表示:“有很高比例的人口目前仍无法享受到网路的方便,主要是因为无线通讯的基础设施无法触及,这些地区大多为世界各地的偏远地带。”我们正在发展的通讯技术用意即在触及这些住处与世隔绝的居民。

光通讯也叫做自由空间光通信(free-space optical communications),用不同以往的技术提供网路给光纤以及行动通信基地台难以触及的地区,是一种经济上较为实惠的方法。使用雷射光输送资讯到太空可能提供非常大的频宽以及资讯传输量,但是有一个主要的挑战,那就是如何确切地将一个非常小的传输用雷射光指向一个距离遥远、同样很微小的光感测器。

在新的研究中,脸书研究人员提出了一个解决办法,他们不使用传统的光纤而是使用荧光材料来聚光并且将光线收聚于小型光感测器。搭配使用这个面积126平方公分的集光器表面,收集来自所有方向的光线,同时使用现有的电信技术达成2Gbps的资讯传输量。

Tiecke表示:“我们用荧光光纤吸收一种颜色的光并发射出另一种光色。光纤所吸收到的光来自四面八方,其所发射的光通过光纤,将光收聚成非常小的单位并快速通过光感测器。”

高速通讯对高速感测器的需求

高速的自由空间光通讯网络需使用高速的光感测器来接收雷射光以输送讯息。但是传输速度必须要平衡且符合尺寸;尽管较大的接收器对于接收光线或雷射光是较显目的标的,但是体积越大侦测速度也就越慢。

要追踪光感测器的位置可以使用一系列的光学以及机制,并发出指令让光感测器瞄准雷射光,但是这些方法让整个流程显得有些复杂。新的光感测器使用含有有机染料例子的塑胶光纤吸收蓝光并发出绿光。这样的设定成功取代了过去用来导引光线到收集区域的传统光学和动作平台Tiecke表示:“荧光光纤能够发射与其所吸收不同颜色的特性也同时具有让更大亮度进到系统的优势。这个方法一直用于太阳能的集光器,不过太阳能集光器的光色传输速度不是重点。我们发现相同的概念也能够应用在通讯上,解决导引以及追踪光线的困难,同时保持高速传输的优势。”

以光通讯应用而言,从蓝光被吸收到转换成绿光所需的时间不到2奈秒(十亿分之二秒),因此速度上符合需求。除此之外,使用正交分频多工(orthogonal frequency division multiplexing,简称OFDM),尽管频宽只有100 MHz,研究人员能够传输大于2Gbps的资讯量传输量。正交分频多工是一种数位调变技术,让多载波传输的资讯能够同时传输。尽管普遍用于有线、无线通讯,但很少用于雷射通讯。

“我们能够使用本来并非用于资讯传输的材料,还达成如此大量的资讯传输。团队希望能够抛砖引玉吸引更多人对发展这些材料的兴趣,为通讯量身订做适合的材料。”

若研发出来的材料是对应到红外线波长,则人眼就看不到这些光线,但是红外线速度能够比蓝、绿光还要快速。新的方法理论上能够让自由空间光通讯提升至超过10Gbps。

收集来自四面八方的光线

在国际知名期刊Optica中,研究人员展示了灯泡形状的光感测器。这个光感测起由一连串的荧光光纤所制成。尽管也可以做成其他形状,但是灯泡形状能够提供非常大的频宽和全方向的感测,也就代表能够让四处移动的行动装置也能够侦测到讯息。

研究人员也展示了几何形能够收集到的光线高达126平方公分,让其对排列的敏感度较低。我们的感测器收集到相同的能量,同时也独立发送同等能量的讯号。研究团队也正在计划将技术制作成一个初期圆形,能够进行实测。Tiecke表示:“我们正在研究商用化产品的可能性,这是一个非常新的系统,且未来还有很多发展空间。”

研究原文:
 T. Peyronel, K.J. Quirk, S.C. Wang, T.G. Tiecke, "A Luminescent Detector for Free-Space Optical Communication," Optica, 3, 7, 787 (2016). DOI:10.1364/optica.3.000787


(编译:LEDinside编辑,张雅涵)

 

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