Многие из нас ежедневно пользуются Wi-Fi, но кто слышал о его «родственнике», Li-Fi? Сегодня ВМФ США финансирует разработку технологии подводной передачи данных, основанной на принципе высокочастотных световых импульсов. И опубликованная в Nature Nanotechnology работа вполне может помочь воплотиться этой технологии. Авторы статьи изготовили искусственный материал, который необычно реагирует на свет. Благодаря этому свойству возможно создать высокоскоростные световые передатчики данных.
Принцип действия Li-Fi напоминает азбуку Морзе. Вспышки светодиодов соответствуют логическим единицам и нулям. Принятая оптическим приёмником последователность световых импульсов переводится в цифровой сигнал. Скорость вспышек такова, что человеческий глаз не способен его различить, и чем выше скорость, тем больше пропускная способность такого канала передачи.
Упомянутый искусственный материал может увеличить частоту вспышек светодиодов на один или два порядка. «Вы можете использовать очень дешёвые светодиоды и увеличить скорость в 50 раз», говорит Дзяовэй Лю (Zhaowei Liu), инженер-оптик из Университета Калифорнии, автор статьи. Также можно было бы изначально использовать более скоростные светодиоды и увеличить частоту в аналогичной степени.
Li-Fi может использоваться для специфических задач, например, для улучшения качества связи подводных лодок, поскольку радиоволны плохо распространяются в толще воды, а технологии акустической передачи данных слишком не обеспечивают высокой скорости. Также Li-Fi может быть полезен на нефтехимических предприятиях и в авиации, где использование Wi-Fi приводит к появлению помех в оборудовании.
Есть и ещё одна возможная сфера применения перспективной технологии. Американская Федеральная Комиссия по коммуникациям предупредила о том, что диапазон доступных частот для беспроводной связи становится слишком «густонаселённым». Li-Fi может снизить количество используемых сегодня частот. Оптический спектр примерно в 10 000 раз шире, чем радиочастотный, и может вместить гораздо больше каналов передачи данных. К тому же видимый свет не никак не мешает радиоволнам, что позволяет одновременно работать Wi-Fi и Li-Fi. Можно также будет переключаться с одного на другое, по аналогии с гибридными автомобилями. Также Li-Fi может быть интегрирован в уже существующую инфраструктуру внешнего и внутреннего освещения.
Наибольшая скорость передачи данных через один светодиод, достигнутая в лабораторных условиях, составляет 3,5 гигабита в секунду на расстояние в 5 см. Это пока меньше, чем рекорд скорости передачи через Wi-Fi, который составляет 100 гигабит в секунду, однако есть потенциал для дальнейшего роста.
На более длинных дистанциях и в полевых условиях скорость передачи через Li-Fi получается ниже. Например, специалисты из Института Генриха Герца в Германии достигли скорости в 500 мегабит/сек на расстоянии от 1 до 2 м, и 100 мегабит/сек на расстоянии свыше 20 м.
Лю с коллегами планируют увеличить пропускную способность с помощью внедрения в светодиоды «гиперболического метаматериала» (hyperbolic metamaterial). Данная субстанция состоит из нескольких чередующихся 10-нм слоёв кремния и серебра. «Бутерброды» толщиной в 305 нм помещаются на стеклянную подложку, причём в каждом слое вырезаны канавки. Далее стопка слоёв покрывается прозрачным пластиком с добавлением молекул родаминового красителя. Эти молекулы флюоресцируют при поглощении света. Исследователи облучили их лазером и измерили яркость и частоту мерцания во время флюоресцирования, отметив многократный рост.
«Данное исследование демонстрирует большой потенциал изобретённого материала», говорит Зубин Якоб (Zubin Jacob), инженер из Университета Альберта. Гиперболические метаматериалы обладают необычными свойствами благодаря нанесённым узорам, чей размер меньше длины света в диапазоне от 400 до 700 нм. Когда свет падает на такой материал, то возникает так называемый плазмонический резонанс, при котором электроны начинают колебаться на одной частоте с материалом. Подобное свойство не встречается в природе. Когда плазмонический резонанс совпадает с флюоресцентным излучением, то последнее может усилиться, что приводит к росту яркости и скорости мерцания.
Немецкие исследователи утверждают, что могут помочь коллегам из США довести Li-Fi до уровня коммерческого использования. Имеющиеся сегодня типовые светодиоды оптимизированы для освещения, а не для передачи данных, поэтому изменять их параметры можно в относительно небольших пределах. Так что новый материал может стать отличным решением в данном вопросе.
Автор: misha_fadeev
