今天的高速有线通信网络使用激光通过光纤传输信息，但无线网络目前基于射频或微波。Facebook有限公司的连接实验室的研究人员在有朝一日可以进行基于光的无线通信的进步中，已经展示了一种用于检测在空中传播的光通信信号的概念新方法。
该团队描述了这项新技术，该技术可为光学协会的高影响力研究期刊Optica的光学无线网络铺平道路，该网络能够为遥远的地方提供互联网服务。
弥合数字鸿沟
Facebook的连接实验室开发的技术旨在为目前无法访问它的全球约40亿人提供价格合理的互联网服务。研究小组负责人Tobias Tiecke表示，“很大一部分人没有连接互联网，因为无线通信基础设施无法生存，主要是在世界上非常农村地区。”“我们正在开发针对人们彼此远离的地区进行优化的通信技术。”
基于光的无线通信，也称为自由空间光通信，提供了一种有前途的方式，将互联网带到光纤和蜂窝塔可能难以以经济有效的方式部署的区域。使用激光在大气层中传输信息可能会提供非常高的带宽和数据容量，但主要的挑战之一是如何在距离较远的微小光探测器处精确地指向携带数据的非常小的激光束。
在这项新研究中，Facebook研究人员展示了一种使用荧光材料代替传统光学器件来收集光线并将其集中到小型光电探测器上的方法。他们将这个可以从任何方向收集光的126平方厘米表面的光收集器与现有的电信技术相结合，以实现超过2千兆位/秒(Gbps)的数据速率。
“我们展示了使用荧光光纤吸收一种颜色的光并发出另一种颜色，”Tiecke说。“光纤吸收大面积来自任何方向的光，发出的光在光纤内部传播，光线将光线汇集到一个小而快速的光电探测器上。”
快速通信需要快速检测器
高速自由空间光网络需要非常快速的检测器来接收携带信息的激光。但速度必须与大小平衡;虽然较大的探测器使得通过空气传播的激光束更容易击中目标，但增加探测器的尺寸会使其变慢。
光学和机械系统的组合可用于跟踪探测器的位置并将其指向激光器，但这些方法增加了相当多的复杂性。新的光收集器使用含有有机染料分子的塑料光纤，吸收蓝光并发出绿光。此设置取代了将光指向收集区域所需的典型光学和运动平台。
“这些荧光光纤发出的颜色与它们吸收的颜色不同，这一事实可以增加进入系统的光线的亮度，”Tiecke说。“这种方法已被用于太阳能光采集的发光聚光器，其中颜色转换的速度无关紧要。我们表明，相同的概念可用于通信，以避免指向和跟踪问题，同时实现非常高的速度。”
由于蓝光吸收和绿光发射之间的间隔小于2纳秒，因此可以实现快速。此外，通过采用称为正交频分复用或OFDM的信号调制方法，尽管系统的带宽为100 MHz，研究人员仍可传输超过2 Gbps的信息。OFDM是一种对数字数据进行编码的方法，以便可以一次发送多个数据流。虽然它通常用于有线和无线通信，但它通常不用于激光通信。
“我们使用不是为通信应用设计的商用材料实现了如此高的数据速率，”Tiecke说。“我们希望让其他团体有兴趣开发专为通信应用量身定制的材料。”
如果开发的材料在光谱的红外部分工作，这对人们来说是不可见的，甚至比蓝/绿光系统更快，理论上新方法可以允许超过10 Gbps的自由空间光学数据速率，Tiecke说。
从各个方向收集光线
在Optica论文中，研究人员展示了一种由一束荧光光纤制成的灯泡形光收集器。尽管可能有许多形状，但是灯泡形状提供了非常大的带宽和全向灵敏度，这意味着它可以与相对于发射器移动的移动设备一起工作。研究人员还证明，这种几何结构可以从126平方厘米的区域收集光线，使其对准不太敏感。
“我们的探测器吸收相同的功率，并通过独立的对准获得相同的通信信号，”Tiecke说。
除了与合作伙伴合作开发新材料外，研究团队还计划通过开发可在实际情况下进行测试的原型将该技术移出实验室。“我们正在调查商业产品的可行性，”Tiecke说。“这是一个非常新的系统，未来发展还有很大的空间。”
