臉書實驗室發表光感測器概念 未來LED光通訊可望更迅速

今日的高速有線通訊網絡使用雷射傳送資訊到光纖,但是無線網路目前使用無線電或微波通訊。

現代科技可能實現透過光線進行無線通訊,例如目前已有利用LED燈可見光進行網路資訊傳輸的實例。Facebook Connectivity Lab 研究人員展示了概念性的成果,偵測大氣中的光通訊訊號。

臉書團隊在投稿光電領域國際重要期刊Optica時,形容這項新科技能夠為未來快速的光學通訊網路奠基,傳送網路服務到偏遠地帶。

臉書的實驗室發展的科技目的在於為目前無法取得網路的全球約40億人提供經濟實惠的網路服務。研究團隊主持人Tobias Tiecke表示:「有很高比例的人口目前仍無法享受到網路的方便,主要是因為無線通訊的基礎設施無法觸及,這些地區大多為世界各地的偏遠地帶。」我們正在發展的通訊技術用意即在觸及這些住處與世隔絕的居民。

光通訊也叫做自由空間光通信(free-space optical communications),用不同以往的技術提供網路給光纖以及行動通信基地台難以觸及的地區,是一種經濟上較為實惠的方法。使用雷射光輸送資訊到太空可能提供非常大的頻寬以及資訊傳輸量,但是有一個主要的挑戰,那就是如何確切地將一個非常小的傳輸用雷射光指向一個距離遙遠、同樣很微小的光感測器。

在新的研究中,臉書研究人員提出了一個解決辦法,他們不使用傳統的光纖而是使用螢光材料來聚光並且將光線收聚於小型光感測器。搭配使用這個面積126平方公分的集光器表面,收集來自所有方向的光線,同時使用現有的電信技術達成2Gbps的資訊傳輸量。

Tiecke表示:「我們用螢光光纖吸收一種顏色的光並發射出另一種光色。光纖所吸收到的光來自四面八方,其所發射的光通過光纖,將光收聚成非常小的單位並快速通過光感測器。」

 

高速通訊對高速感測器的需求

高速的自由空間光通訊網絡需使用高速的光感測器來接收雷射光以輸送訊息。但是傳輸速度必須要平衡且符合尺寸;儘管較大的接收器對於接收光線或雷射光是較顯目的標的,但是體積越大偵測速度也就越慢。

要追蹤光感測器的位置可以使用一系列的光學以及機制,並發出指令讓光感測器瞄準雷射光,但是這些方法讓整個流程顯得有些複雜。新的光感測器使用含有有機染料例子的塑膠光纖吸收藍光並發出綠光。這樣的設定成功取代了過去用來導引光線到收集區域的傳統光學和動作平台Tiecke表示:「螢光光纖能夠發射與其所吸收不同顏色的特性也同時具有讓更大亮度進到系統的優勢。這個方法一直用於太陽能的集光器,不過太陽能集光器的光色傳輸速度不是重點。我們發現相同的概念也能夠應用在通訊上,解決導引以及追蹤光線的困難,同時保持高速傳輸的優勢。」

以光通訊應用而言,從藍光被吸收到轉換成綠光所需的時間不到2奈秒(十億分之二秒),因此速度上符合需求。除此之外,使用正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing,簡稱OFDM),儘管頻寬只有100 MHz,研究人員能夠傳輸大於2Gbps的資訊量傳輸量。正交分頻多工是一種數位調變技術,讓多載波傳輸的資訊能夠同時傳輸。儘管普遍用於有線、無線通訊,但很少用於雷射通訊。

「我們能夠使用本來並非用於資訊傳輸的材料,還達成如此大量的資訊傳輸。團隊希望能夠拋磚引玉吸引更多人對發展這些材料的興趣,為通訊量身訂做適合的材料。」

若研發出來的材料是對應到紅外線波長,則人眼就看不到這些光線,但是紅外線速度能夠比藍、綠光還要快速。新的方法理論上能夠讓自由空間光通訊提升至超過10Gbps。

 

收集來自四面八方的光線

在國際知名期刊Optica中,研究人員展示了燈泡形狀的光感測器。這個光感測起由一連串的螢光光纖所製成。儘管也可以做成其他形狀,但是燈泡形狀能夠提供非常大的頻寬和全方向的感測,也就代表能夠讓四處移動的行動裝置也能夠偵測到訊息。

研究人員也展示了幾何形能夠收集到的光線高達126平方公分,讓其對排列的敏感度較低。我們的感測器收集到相同的能量,同時也獨立發送同等能量的訊號。研究團隊也正在計畫將技術製作成一個初期圓形,能夠進行實測。Tiecke表示:「我們正在研究商用化產品的可能性,這是一個非常新的系統,且未來還有很多發展空間。」

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


(編譯:LEDinside編輯,張雅涵)

 

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