В попытках описать современный мир с точки зрения технологий в голову приходят самые разные эпитеты: от умный и миниатюрный до многофункциональный и энергоэффективный. Но ничто так не изменило мир, как беспроводные технологии. Нивелирование необходимости в том, чтобы устройство было подключено к источнику питания или коммуникационному оборудованию, сделало не только множество устройств, но и сам образ жизни человека весьма мобильным. Беспроводной интернет стал одной из важнейших технологий наших дней, которой пользуются не только компьютеры и смартфоны, но даже бытовая техника. Однако возможности Wi-Fi, как и любой другой технологии, имеют свои ограничения, преодолеть которые помогает наука. Ученые из Общества оптики и фотоники (Вашингтон, США) разработали новый чип, позволяющий увеличить скорость Wi-Fi до невообразимых 360 Гбит/с. Из чего сделан новый чип, каков принцип его работы, и какими еще достоинствами он обладает? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Беспроводной трафик данных растет экспоненциально, и спрос на повсеместное высокоскоростное подключение продолжает расти. К 2030 году глобальный объем мобильного трафика данных, как ожидается, превысит 473 эксабайта в месяц (1 ЭБ = 1 миллиард ГБ). Этот неуклонный рост, подпитываемый ресурсоемкими приложениями, такими как интернет вещей, беспроводная связь следующего поколения (6G) и автономные системы, создает беспрецедентную нагрузку на существующую коммуникационную инфраструктуру. Традиционные радиочастотные (RF от radio frequency) технологии, например, Wi-Fi и сотовая связь, сталкиваются с растущими ограничениями из-за перегрузки спектра, восприимчивости к электромагнитным помехам, растущего энергопотребления на передаваемый бит и снижения производительности в густонаселенных районах. Таким образом, для удовлетворения будущих потребностей в повсеместном подключении крайне важно перейти к альтернативным или дополнительным коммуникационным парадигмам, которые могут обеспечить значительно большую пропускную способность, повышенную отказоустойчивость и улучшенную энергоэффективность.

Оптическая беспроводная связь (OWC от optical wireless communication) стала перспективным кандидатом для удовлетворения этих будущих требований, устраняя ключевые ограничения радиочастотных технологий, такие как дефицит спектра, электромагнитные помехи и нормативные ограничения. Кроме того, присущая оптическим лучам пространственная локализация и направленность обеспечивают естественную безопасность физического уровня и поддерживают высокоплотное пространственное повторное использование без значительных межканальных помех. Значительным достижением в области OWC является технология световой связи (Li-Fi от light fidelity), которая определяет двунаправленные, высокоскоростные и полностью сетевые беспроводные системы внутри помещений, работающие в видимом или инфракрасном диапазонах. Недавние усилия по стандартизации, такие как протокол IEEE 802.11bb, расширяющий передачу сигналов Wi-Fi на OWC, отражают растущую эффективность и совместимость технологии Li-Fi. Это развитие делает OWC перспективным кандидатом для будущих высокопроизводительных беспроводных систем внутри помещений.

В основе производительности оптической беспроводной связи лежит выбор оптического передатчика. Вертикальные резонаторные лазеры с поверхностным излучением (VCSEL от vertical cavity surface-emitting laser) стали перспективными кандидатами благодаря высокой полосе модуляции, превосходной энергоэффективности, низким пороговым токам и простой упаковке. Их геометрия поверхностного излучения позволяет проводить тестирование на уровне пластин и упрощает изготовление двумерных массивов, обеспечивая масштабируемое и недорогое производство. VCSEL также генерируют круглые лучи с низкой расходимостью, которые эффективно вводятся в оптику свободного пространства, что делает их хорошо подходящими для компактных высокоскоростных линий связи OWC. Использование VCSEL в двумерных конфигурациях массивов открывает существенные дополнительные преимущества для систем OWC. Благодаря возможности параллельной работы нескольких излучателей, массивы VCSEL поддерживают пространственное мультиплексирование, при котором различные потоки данных могут передаваться одновременно для повышения общей пропускной способности.

Хотя недавние исследования продемонстрировали потенциал массивов VCSEL для высокоскоростных каналов оптической связи, ряд ключевых проблем остается недостаточно изученным. К ним относятся достижение сверхвысоких скоростей передачи данных, оптимизация энергоэффективности и интеграция компактного управления лучом и оптики для обеспечения равномерного и эффективного покрытия по всей плоскости приемника. Кроме того, для обеспечения структурированной и масштабируемой многопользовательской связи, что является важнейшим требованием для сетей следующего поколения, необходим системный подход, который может одновременно решать все эти задачи в рамках компактной архитектуры на уровне чипа.

Новые приложения, такие как голографическая связь и иммерсивные виртуальные среды, требуют передатчиков, способных обеспечивать очень высокие скорости передачи данных, низкое энергопотребление и точное управление лучом. Хотя массивы VCSEL являются многообещающими, удовлетворить все три требования в рамках компактной платформы на уровне чипа по-прежнему сложно. В предыдущих демонстрациях обычно оптимизировались либо пропускная способность, либо энергоэффективность, либо управление лучом, но редко интегрировались эти функции в одной системе. Между тем, для плотных развертываний OWC необходимы контролируемые схемы покрытия для улучшения подачи энергии, снижения чувствительности к выравниванию и поддержки структурированного многопользовательского покрытия. Эти требования мотивируют создание платформы, которая объединяет проектирование на уровне устройств, высокоскоростную модуляцию и интегрированное формирование луча для практичных беспроводных каналов связи внутри помещений.

Для решения этих задач ученые разработали и экспериментально продемонстрировали передатчик на основе массива VCSEL-лазеров на чипе, который сочетает в себе высокоскоростную модуляцию, энергоэффективную работу и интегрированное формирование луча на одной платформе. Система использует специально разработанный массив из 25 VCSEL-лазеров с индивидуально адресуемыми излучателями, каждый из которых управляется спектрально эффективным ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM от orthogonal frequency division multiplexing) для полного использования полосы пропускания устройства. Многоступенчатая оптическая сборка преобразует собственный многомодовый выходной сигнал в структурированную сетку хорошо разделенных квадратных лучей, обеспечивая равномерное покрытие на расстояниях в несколько метров для многопользовательских каналов связи внутри помещений. Эта архитектура обеспечивает рекордную суммарную пропускную способность при значительном снижении энергопотребления на бит по сравнению с традиционными беспроводными технологиями.

Подготовка к исследованию

Изготовление и характеристики массива VCSEL

Эпитаксиальная структура VCSEL с длиной волны 940 нм была тщательно спроектирована и изготовлена на проводящей подложке с использованием метода металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD от metal organic chemical vapor deposition) на 4-дюймовой пластине для обеспечения однородности и масштабируемости для крупномасштабного производства. Структура состоит из точно градиентных многослойных пленок арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), образующих n-легированный нижний распределенный брэгговский отражатель (DBR от distributed Bragg reflector) и p-легированный верхний DBR. Эти DBR спроектированы с чередующимися слоями AlGaAs с различным содержанием алюминия для создания периодического контраста показателя преломления, обеспечивая высокую отражательную способность на длине волны 940 нм для удержания света внутри оптического резонатора. n-легированный нижний DBR способствует эффективной инжекции электронов, тогда как p-легированный верхний DBR поддерживает инжекцию дырок, причем оба оптимизированы для минимизации оптических потерь и улучшения переноса носителей заряда. В основе структуры лежит оптический резонатор длиной 1.5λ, содержащий множество квантовых ям (MQW от multiple quantum wells), специально разработанных для обеспечения эффективного стимулированного излучения на целевой длине волны. Над резонатором расположен слой AlGaAs с высоким содержанием алюминия (98%), обеспечивающий селективное боковое окисление и образующий оксидную апертуру, которая ограничивает ток и свет, тем самым повышая эффективность и качество пучка VCSEL.

Матрица VCSEL (5 × 5) с индивидуальной адресацией представляет собой планарное устройство, в котором p- и n-контакты расположены на поверхности, что достигается глубоким травлением подложки. Изготовление началось с определения круглых MESA-зон с использованием i-линейной фотолитографии, за которым последовал процесс влажного травления. Последующий этап влажного окисления использовался для формирования апертур, подобранных для каждой MESA-зоны в матрице, что позволило получить желаемую полосу пропускания в конечных устройствах VCSEL. Для определения MESA-зон использовалось влажное химическое травление, а не традиционный метод ICP-RIE. Влажное травление было выбрано из-за более гладких профилей боковых стенок, уменьшения повреждений оксидной апертуры, вызванных плазмой, и повышения надежности устройства. Этот подход хорошо зарекомендовал себя для VCSEL-устройств с оксидным покрытием и не приводит к ухудшению характеристик устройства.

Окисление проводилось в специально разработанной печи для окисления многослойных 4-дюймовых пластин при температуре 420 °C и фиксированном уровне влажности, которая обеспечивалась подачей пара из модуля подачи путем смешивания азота с водой. Толстый слой диэлектрического материала наносился методом центрифугирования и оптимально отверждался для изоляции MESA в массиве и обеспечения изоляции между верхним p-контактным металлическим слоем и нижним n-контактным металлическим слоем. Изготовление завершилось осаждением металла для контактных слоев. p-контактный слой на каждом MESA простирался по отдельным дорожкам вдоль периферии массива и заканчивался на квадратной контактной площадке размером 75 × 75 мкм. n-контактный слой имел прямоугольную форму размерами 95 × 157 мкм и состоял из AuGe/Ni/Au, отожженного при 420 °C в азотной среде.

После завершения изготовления каждое VCSEL-устройство в адресуемых массивах 5 × 5 измерялось на подложке с помощью системы высокоточного картирования подложек для получения напряжения, излучаемой оптической мощности и длины волны излучения при фиксированном токе смещения. Наконец, процесс обработки включал истончение подложки с помощью прецизионного шлифовального станка, нарезку массивов на отдельные чипы и соединение массивов на разработанной печатной плате (PCB от printed circuit board).

Проектирование и детализация PCB и проволочного монтажа

В процессе проектирования электронной системы была разработана специальная печатная плата с использованием подложки FR4. Плата имеет четырехслойную структуру с тонкими внешними диэлектриками, а сигнальные трассы были спроектированы для импеданса 50 Ом с помощью калькулятора импеданса Altium Designer. Для уменьшения несоответствия импедансов были соблюдены тщательные методы компоновки, и были реализованы стратегии оконечного соединения вблизи VCSEL. Процесс проволочного монтажа проводился на станке TPTWire Bonder HB10 с использованием золотой проволоки (Au) диаметром 25 мкм путем оптимизации параметров монтажа в соответствии с разработанной печатной платой. Для минимизации паразитной емкости и индуктивности была минимизирована металлическая трассировка между каждым VCSEL и его контактной площадкой, использовались симметричные структуры питания сигнала заземления и было применено компактное размещение контактных площадок. Эти меры уменьшают дифференциальную индуктивность, а апертуры, ограниченные оксидным слоем, дополнительно уменьшают емкость, обеспечивая высокую собственную полосу пропускания.

Оптическая схема

В оптической системе все компоненты являются стандартными, за исключением первого массива микролинз, который был разработан специально для соответствия шагу (70 мкм) массива VCSEL, а также специально разработанной линзы, которая одновременно коллимирует и разделяет выходные лучи для многопользовательских измерений. Для моделирования трассировки лучей при проектировании оптической системы в данном исследовании использовалась программа Ansys Zemax OpticStudio 2024 R2.02. Для повышения точности моделирования и обеспечения соответствия реальным условиям работы требовались точные характеристики VCSEL. Поэтому угловое распределение выходного излучения VCSEL измерялось в темной комнате с помощью компактного профилометра луча Thorlabs BC210CV на основе комплементарного металл-оксидного полупроводника и было включено в модель моделирования. Впоследствии была создана матрица VCSEL размером 5 × 5 с расстоянием между элементами 70 мкм, и каждому VCSEL было назначено 25000 лучей для моделирования трассировки лучей.

Настройка и процедура высокоскоростной связи

Эксперимент проводился в затемненной комнате для минимизации влияния фонового шума. Канал связи OWC был точно сконфигурирован с дальностью передачи 2 метра. Компоненты канала были тщательно выровнены с помощью ручных трансляционных столов Thorlabs, с ручной корректировкой для обеспечения точного выравнивания в направлениях XYZ. Как обсуждалось ранее, была реализована сигнализация OFDM с постоянным смещением, способная выполнять адаптивную битовую и энергетическую нагрузку в различных условиях канала. Процессы модуляции и демодуляции OFDM выполнялись с использованием MATLAB в рамках схемы автономной цифровой обработки сигналов. На стороне передатчика блок символов квадратурной амплитудной модуляции (QAM от quadrature amplitude modulation) обрабатывался с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT от inverse fast Fourier transform) для создания цифрового сигнала. Полученный цифровой сигнал затем преобразовывался в аналоговый сигнал с помощью генератора произвольных сигналов (AWG от arbitrary waveform generator) Keysight M8195A с частотой дискретизации 16 Гвыб/с. Аналоговый сигнал подавался на разделительный фильтр Mini Circuits ZFBT-4R2GW+ для управления элементами VCSEL, которые были смещены на желаемый уровень постоянного тока для генерации надлежащего оптического сигнала. Если не указано иное, все высокоскоростные измерения проводились только с одним активным VCSEL, в то время как остальные устройства оставались без смещения. Это обеспечило точную характеристику внутренних характеристик каждого канала без оптических или электрических эффектов связи.

Оптический сигнал на стороне приемника собирается и фокусируется на фотодетектор с помощью асферической линзы Thorlabs ACL50832U-B. Затем на стороне приемника оптический сигнал детектируется усиленным кремниевым PIN-фотодиодом с пространственно-свободной связью FEMTO HSPRX-I-1G4-SI-FS, имеющим полосу пропускания по уровню −3 дБ, равную 1.4 ГГц. Выходной сигнал фотодетектора оцифровывается осциллографом Keysight UXR0104B с частотой дискретизации 16 Гвыб/с. Дальнейшая обработка сигнала, включая быстрое преобразование Фурье (FFT от fast Fourier transform), однокаскадную эквализацию и QAM-демодуляцию, выполняется в MATLAB. Система работала с настройкой 3 отсчета на символ на генераторе сигналов, что обеспечивало полосу пропускания 2.66 ГГц.

Общая скорость передачи данных в системе определяется следующим образом:

где B — полоса пропускания системы, N_FFT = 1024 — размер FFT, M_k — порядок модуляции на поднесущей k, а N_CP = 15 — размер циклического префикса. Характеристики канала и доступное отношение сигнал/шум (SNR jn signal-to-noise ratio) на каждой поднесущей (SNR_k) оцениваются с помощью пилот-сигналов, состоящих из нескольких блоков OFDM. Порядок модуляции на каждой поднесущей выбирается с учетом SNR_k и целевого коэффициента битовых ошибок (BER от bit-error ratio). Впоследствии BER используемой схемы модуляции QAM определяется как:

Примечательно, что после оценки отношения сигнал/шум и выполнения адаптивной загрузки битов, по каналу связи отправляется несколько блоков OFDM на основе определенной загрузки битов. Затем измеряется фактическая частота ошибок (BER), чтобы убедиться, что общая частота ошибок системы остается ниже целевого уровня, т.е. BER = 0.0047, при котором возможна безошибочная связь с использованием кодов прямой коррекции ошибок с накладными расходами на кодирование в 6.25%.

Результаты исследования

Изготовление и базовая характеризация массива VCSEL

Для обеспечения развертывания сетей Li-Fi следующего поколения с высокой пропускной способностью и надежной производительностью ученые разработали и изготовили специализированный массив VCSEL размером 5 × 5, используя стандартный процесс меза-структуры с оксидным покрытием. Формат 5 × 5 представляет собой практический компромисс между пропускной способностью пространственного мультиплексирования и сложностью системы. Точнее, он обеспечивает достаточную плотность элементов для масштабирования суммарной скорости передачи данных, оставаясь при этом совместимым со стандартными ограничениями печатных плат и корпусов. На уровне устройства разработка ориентирована на работу в ближнем инфракрасном диапазоне (т.е., на длине волны 940 нм), где менее строгие правила безопасности для глаз допускают более высокую допустимую выходную оптическую мощность. Расположение элементов массива было тщательно оптимизировано для минимизации паразитной емкости и индуктивности, тем самым максимизируя полосу пропускания 3 дБ для каждого элемента. Элементы VCSEL могут обеспечивать оптическую мощность до 10 мВт, а полоса модуляции составляет около 15 ГГц. Кроме того, безопасность для глаз оценивалась путем измерения интенсивности излучения от передатчика с помощью датчика измерителя мощности размером 9.7 × 9.7 мм. Соответственно, измеренная интенсивность излучения составила 17 Вт/м², что ниже предельно допустимой концентрации излучения для глаз класса 1, составляющей 30 Вт/м² на длине волны 940 нм.

Изображение №1

Микрофотография изготовленной матрицы, качество проволочного соединения и микроскопический вид матрицы показаны на 1a–1c соответственно. Конфигурация состоит из 25 индивидуально адресуемых апертур, расположенных в регулярной сетке. Общие размеры чипа составляют 845 мкм × 810 мкм, с шагом VCSEL 70 мкм от центра до центра. Каждое окно VCSEL имеет диаметр 15 мкм, а по периферии расположены квадратные контактные площадки размером 75 × 75 мкм для электрического интерфейса. Устройства демонстрируют относительно равномерную производительность по всей матрице, что подтверждается репрезентативными измерениями зависимости света от тока и напряжения (1d), с пороговыми токами ~2 мА и эффективностью преобразования 0,5 мВт/мА. Оптические спектры излучателей (1e) демонстрируют превосходную однородность длины волны, с центральной длиной волны излучения 932.8 нм и стандартным отклонением 0.8 нм по всей матрице. Подробные характеристики элементов VCSEL приведены в таблице №1. Минимальная выходная мощность, указанная в таблице, соответствует устройству 1, которое выдает ~4 мВт при токе смещения 10 мА, в то время как другие устройства достигают мощности до 6 мВт. При токе смещения 20 мА максимальная выходная оптическая мощность составляет ~10 мВт.

Таблица №1

Анализ высокоскоростной передачи данных и энергоэффективности

Достижение скорости передачи данных в несколько гигабит в секунду, необходимой для будущих систем связи, таких как сети 6G и иммерсивные технологии, в значительной степени зависит от архитектур передатчиков, способных обеспечить высокую пропускную способность и параллелизм. Массивы VCSEL представляют собой привлекательную платформу для этого, предлагая как высокоскоростные отдельные излучатели, так и потенциал для массового пространственного мультиплексирования для масштабирования совокупной пропускной способности. Для оценки производительности высокоскоростной связи, достижимой с помощью исследуемого устройства, каждый VCSEL в массиве модулировался с использованием спектрально эффективных форматов оптического OFDM с постоянным смещением (DCOOFDM) в сочетании с адаптивной битовой и энергетической нагрузкой. OFDM — это высокоэффективная схема сигнализации, которая может достигать скорости передачи данных, близкой к теоретическому пределу пропускной способности канала связи. На практике OFDM продемонстрировал свою способность обеспечивать высокоскоростную передачу данных, предлагая при этом практические решения некоторых из самых сложных проблем беспроводной связи, таких как частотная избирательность беспроводного канала, которая может приводить к сильным межсимвольным помехам. Кроме того, адаптивный подход позволяет легко максимизировать скорость передачи данных в системах путем динамического распределения битов и мощности в широком диапазоне условий канала.

В исследуемой конфигурации каждая поднесущая OFDM модулируется с использованием M-арного QAM-формата, где размер созвездия M выбирается адаптивно на основе измеренного отношения сигнал/шум (SNR) для этой поднесущей. Глубина модуляции (т.е. значение M) для каждой поднесущей выбирается таким образом, чтобы поддерживать определенный целевой уровень ошибок по битам (BER), обычно устанавливаемый в соответствии с ограничениями кодов прямой коррекции ошибок. Общая достижимая скорость передачи данных для канала затем определяется путем суммирования битовых скоростей, вносимых всеми модулированными поднесущими. Адаптивный алгоритм загрузки ограничивает порядок модуляции десятью битами на поднесущую (1024 QAM), поскольку измеренное отношение сигнал/шум обеспечивало надежную работу до этого уровня. Модуляция более высокого порядка демонстрировала нестабильный BER и не подходила для пороговых значений прямой коррекции ошибок.

Изображение №2

Схема системы связи и экспериментальной установки канала связи показаны на 2a и 2b соответственно. Была разработана печатная плата, к которой припаяли массив VCSEL-лазеров. Печатная плата имеет 25 субминиатюрных разъемов версии A (SMA), которые позволяют смещать каждый VCSEL-лазер в массиве и подключать к нему силовые и сигнальные кабели. Массив VCSEL-лазеров размером 5 × 5, припаянный к печатной плате, показан на 2c.

Изображение №3

На 3a показана зависимость частоты ошибок (BER) от скорости передачи данных для различных VCSEL-лазеров в массиве. Из-за сбоев в соединениях во время сборки 4 VCSEL-лазера не работали, в результате чего в массиве остался 21 рабочий VCSEL-лазер. Предполагая пороговое значение BER 4.7 × 10⁻³ в качестве целевого значения, безошибочная передача данных возможна с использованием алгоритма прямой коррекции ошибок с 6.25% накладными расходами на кодирование. Таким образом, на 3b представлены достигнутые скорости передачи данных для всех рабочих VCSEL-лазеров при этом целевом значении BER. Индивидуальные скорости передачи данных при целевом значении BER варьировались от 12.80 до 18.64 Гбит/с для различных рабочих VCSEL-лазеров в массиве. Сводные статистические данные, полученные на основе этих измерений, показывают среднюю скорость передачи данных 17.27 Гбит/с, медианную скорость передачи данных 17.65 Гбит/с и общую измеренную суммарную скорость передачи данных 362.71 Гбит/с по всем работающим VCSEL-лазеям, что является рекордным показателем.

Кроме того, результаты показывают, что большинство VCSEL-лазеров в массиве работают вблизи верхнего предела спектра скорости передачи данных. Хотя 21 из 25 VCSEL-лазеров в массиве были работоспособны в этом экспериментальном тесте, можно оценить потенциальную производительность всего массива, рассмотрев среднюю скорость передачи данных работающих VCSEL-лазеров в массиве. Точнее, если экстраполировать среднюю производительность 17.27 Гбит/с на четыре неработающих VCSEL-лазера и добавить это к измеренной суммарной скорости передачи данных, можно спрогнозировать теоретическую суммарную скорость передачи данных всего массива в 431.8 Гбит/с.

Для лучшего понимания деталей каналов связи также представлены результаты измерения отношения сигнал/шум (SNR) и загрузки битов для лучшего по производительности VCSEL в массиве (т.е. VCSEL № 4), представляющего верхнюю границу производительности, и худшего по производительности VCSEL в массиве (т.е. VCSEL № 1), представляющего нижнюю границу производительности, как показано на 3c–3f соответственно. Из этих графиков видно, что VCSEL № 4 достигает значений SNR, близких к 30 дБ, в широком диапазоне частот до 1.4 ГГц (3c). Это высокое значение SNR позволяет адаптивному алгоритму использовать наибольшую глубину модуляции, т.е. выделять все 10 бит (M = 10, 1024 QAM) соответствующим поднесущим (3d), тем самым увеличивая скорость передачи данных.

Напротив, кривая отношения сигнал/шум на 3e для VCSEL № 1 демонстрирует некоторые провалы, которые, вероятно, объясняются неидеальностями сборки, включая неоптимальную пайку, несоответствия в проволочном соединении или несоответствие импедансов на печатной плате. Следовательно, система связи не может использовать модуляцию высшего порядка, что неизбежно снижает порядок модуляции и количество загружаемых битов (3f). Стоит отметить, что это практическое ограничение, которое будет существовать в реальных прототипах. Примечательно, что обе системы связи использовали полосу пропускания системы более 2.6 ГГц. Наблюдаемое ухудшение отношения сигнал/шум за пределами 1.4 ГГц объясняется использованием стандартного коммерческого приемника с пространственно-временной связью и заявленной полосой пропускания 1.4 ГГц. Это ограничение может быть нивелировано за счет будущей оптимизации оборудования.

Помимо скорости передачи данных, критически важным показателем для систем связи является энергоэффективность. Ученые оценили энергоэффективность системы массивов VCSEL, определяемую как количество потребляемой электрической энергии на один передаваемый бит (выраженное в наноджоулях нДж/бит). Взяв в качестве репрезентативных примеров ранее определенные элементы с наихудшими (VCSEL № 1) и наилучшими (VCSEL № 4) характеристиками, ученые рассчитали их эффективность на основе общей потребляемой электрической мощности (включая мощность смещения и мощность модуляции (т.е. вычислительную мощность)) при соответствующих достигнутых скоростях передачи данных.

Полученные значения энергоэффективности составили 1.39 нДж/бит для VCSEL № 1 (работающего на скорости 12.80 Гбит/с) и 1.40 нДж/бит для VCSEL № 4 (работающего на скорости 18.64 Гбит/с). Для сравнения, эти показатели были сопоставлены с типичными значениями энергопотребления, указанными для современных систем Wi-Fi (IEEE 802.11ax/ac) в условиях сопоставимой высокой пропускной способности, которые оцениваются примерно в 2.6 нДж/бит. Это сравнение показывает, что разработанный оптический передатчик на основе VCSEL примерно в 1.8–1.9 раза энергоэффективнее, чем сравниваемая система Wi-Fi.

Характеристики оптики формирования луча

Изображение №4

Для обеспечения эффективного пространственного распределения оптической мощности был разработан и спроектирован микрооптический элемент формирования луча, интегрированный непосредственно над массивом. Основная цель системы заключалась в равномерном освещении области размером 0.65 × 0.65 м на расстоянии 2 м и 1 × 1 м на расстоянии 3 м. Таким образом, каждый VCSEL может индивидуально освещать область размером ~ 0.13 × 0.13 м на расстоянии 2 м, расширяясь до 0.2 × 0.2 м на расстоянии 3 м. Для обеспечения коллимации луча и минимизации перекрытия между соседними излучателями был изготовлен специальный массив микролинз с шагом 70 мкм, точно соответствующим шагу массива VCSEL. Эта микрооптика коллимирует выходной сигнал каждого VCSEL и эффективно подавляет слияние лучей. Каждая микролинза имеет радиус кривизны 0.0495 мм и толщину 0.0582 мм. Оптика установлена непосредственно над массивом VCSEL и расположена на расстоянии 0.062 мм от него, как показано на 4a и 4b. После коллимации массивом микролинз лучи перенаправляются и расширяются, образуя хорошо разделенные квадратные пятна освещения на поверхности мишени. Это достигается с помощью каскадной линзовой системы, состоящей из двух плоско-вогнутых линз диаметром 3 мм (с эффективным фокусным расстоянием (EFL от effective focal length) −6 мм и толщиной в центре (CT от center thickness) 1 мм) и одной плоско-вогнутой линзы диаметром 9 мм (с EFL −9 мм и CT 2.25 мм). Эти линзы увеличивают угол расходимости каждого луча и обеспечивают достаточное расстояние между соседними оптическими путями для размещения последующей формирующей оптики. Первая 3-мм линза расположена на расстоянии 8 мм от массива VCSEL, вторая 3-мм линза — на расстоянии 4 мм ниже по потоку, а большая 9-мм линза — на расстоянии 18 мм дальше второй линзы, как показано на 4c.

Для достижения равномерного квадратного освещения целевой плоскости была реализована стадия гомогенизации пучка с использованием еще одной системы с двумя микролинзами. Эта конфигурация требует расширения и повторной коллимации падающего пучка для оптимальной работы. Поэтому перед гомогенизатором был установлен блок расширения пучка, состоящий из согласованной плоско-вогнутой (диаметр 3 мм, радиус кривизны −4.71 мм) и плоско-выпуклой линзы (диаметр 5 мм, радиус кривизны 7.75 мм). Эта установка расширяет поперечное сечение пучка перед его попаданием в гомогенизирующий массив микролинз (4d). Два гомогенизатора пучка, каждый с радиусом 2.2 мм, EFL 4.8 мм и шагом 300 мкм, расположены последовательно с шагом 4.8 мм. Второй гомогенизатор расположен в фокальной плоскости первого для обеспечения эффективной гомогенизации. Квадратная геометрия основания микролинз обеспечивает сохранение квадратной формы освещаемой области, соответствующей структуре массива VCSEL.

На 4d представлена окончательная схема освещения на расстоянии 2 м, демонстрирующая равномерную сетку из 5 × 5 квадратных точек. Измеренная равномерность освещения по площади 126 × 126 мм превышает 90%. На 4e также показан профиль интенсивности в поперечном сечении вдоль оси x, подтверждающий постоянную оптическую интенсивность по всей освещаемой плоскости. Кроме того, после второго массива микролинз можно ввести линзу Фурье для динамического управления размером схемы освещения. Регулируя расстояние между массивом микролинз и линзой Фурье, размер области освещения можно адаптировать к конкретным требованиям приложения.

Описанная выше микролинзовая матрица (MLA) представляет собой предполагаемый интегрированный оптический интерфейс для будущих компактных передающих модулей. Из-за производственных ограничений изготовление микролинзовой матрицы с шагом менее 70 мкм в этом прототипе было невозможно. Вместо этого формирование луча было экспериментально продемонстрировано с использованием макроскопических оптических элементов, которые обеспечивают аналогичное функциональное поведение. Конструкция MLA была полностью подтверждена оптическим моделированием и планируется к изготовлению в последующих итерациях.

Для экспериментальной проверки основной концепции гомогенизации пучка и оценки ее влияния на производительность системы в данных условиях ученые сосредоточились на формировании отдельного пучка из массива. Для этого исследования выходной сигнал репрезентативного элемента первоначально коллимировался с помощью стандартной выпуклой асферической линзы диаметром 1 дюйм. Затем в путь этого единственного коллимированного пучка был введен специально разработанный гомогенизатор пучка (4e).

Изображение №5

Наконец, экспериментальные результаты этого исследования формирования одноканального луча представлены выше. Более точно, на 5a изображен исходный, несформированный профиль образца VCSEL-устройства со стороны передатчика, который демонстрирует характерное неравномерное распределение интенсивности в виде пончика. Это наблюдение подчеркивает необходимость формирования луча для достижения равномерного освещения. Инфракрасное изображение несформированного луча в плоскости детектора, расположенного на расстоянии 2 м от передатчика, вместе с профилем луча, показанным на 5b и 5c, дополнительно иллюстрирует эту присущую ему неравномерность. В отличие от этого, после прохождения через специальный гомогенизатор луча в плоскости детектора был успешно сформирован отчетливый и равномерно освещенный квадратный луч (5d), соответствующий профиль луча показан на 5e.

Для оценки влияния гомогенизации одного луча на возможности передачи данных была измерена скорость передачи данных для образца VCSEL в обоих сценариях: с формирующей оптикой и без нее. Как показано на 5e, использование гомогенизатора луча может привести к снижению отношения сигнал/шум до 5 дБ. Это снижение отношения сигнал/шум объясняется уменьшением пиковой интенсивности, вызванным процессом гомогенизации, который перераспределяет оптическую мощность на большую площадь. Тем не менее система продемонстрировала надежную работу связи. В частности, скорость передачи данных, превышающая 11 Гбит/с, поддерживалась при использовании сформированного гомогенизированного луча, как показано на 5e. Результат подтверждает целесообразность интеграции таких элементов формирования луча для достижения желаемых профилей освещения при сохранении высокоскоростных возможностей передачи данных (более 10 Гбит/с) для отдельных каналов внутри массива.

Система многопользовательского режима

Для экспериментальной оценки многопользовательской работы в рамках был разработан недорогой и простой оптический интерфейс, который пространственно разделяет лучи массива VCSEL в плоскости приемника. Эта настройка имитирует сценарий плотного доступа внутри помещений, в котором несколько пользователей одновременно обслуживаются различными пространственными каналами от одного передающего массива. Четкое разделение лучей на приемнике имеет важное значение для независимого обнаружения и оценки производительности каждого канала связи.

Изображение №6

Как показано выше, ученые разработали компактную линзу, которая одновременно коллимирует и разделяет лучи от массива VCSEL 5 × 5 (шаг 70 мкм). Линза имеет толщину 1.57 мм, расстояние между ее выпуклыми поверхностями составляет 0.7 мм, и она расположена на расстоянии 1 мм перед массивом. Этот единственный элемент заменяет отдельные коллимирующие линзы, уменьшая сложность системы, сохраняя при этом пространственную структуру массива и обеспечивая компактную, масштабируемую конструкцию многопользовательского передатчика.

Для дальнейшего улучшения разделения пучков на малых расстояниях распространения за основной линзой была добавлена небольшая двояковогнутая линза (Thorlabs LD2568-B), увеличивающая угловую расходимость между соседними пучками. Расположенная на расстоянии 16.7 мм после первой линзы, она обеспечивает более четкое пространственное разделение в плоскости приемника. Изменение расстояния между двумя линзами обеспечивает простой способ настройки разделения пучков для различных лабораторных конфигураций и геометрий приемника.

Изображение №7

Используя этот оптический интерфейс, ученые провели эксперимент по одновременной многопользовательской передаче, в котором одновременно активировались и модулировались четыре элемента VCSEL (7a и 7b). Оптика разделяла лучи в плоскости приемника, что позволяло осуществлять независимое детектирование с помощью четырех фотодетекторов. При одновременной работе измеренные значения отношения сигнал/шум представлены на 7c. Кроме того, были достигнуты скорости передачи данных 4.3, 5.65, 6.8 и 5.2 Гбит/с при целевой частоте ошибок BER 3.8 × 10⁻³, что дало суммарную пропускную способность ~22 Гбит/с (7d).

Эти результаты показывают, что соседние каналы связи на основе VCSEL могут работать одновременно без существенных помех и подтверждают эффективность стратегии пространственного разделения лучей. В сочетании с моделированием MLA они демонстрируют масштабируемость и практическую осуществимость многопользовательских оптических беспроводных систем на основе VCSEL, учитывающих помехи.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали свою новую разработку — чип, позволяющий создавать системы беспроводной связи со скоростью около 360 Гбит/с.

Современный мир тяжело представить без беспроводной связи: видеосвязь, потоковая передача данных, виртуальная реальность и подключенные устройства — все это зависит от сетей, которые и без того испытывают большую нагрузку. Сегодня большая часть беспроводной связи основана на радиотехнологиях, таких как Wi-Fi. Несмотря на свою неоценимую важность, они сталкиваются с рядом проблем, таких как перегрузка радиочастот, помехи сигнала и растущие потребности в энергии по мере подключения все большего количества устройств.

Одним из перспективных решений является оптическая беспроводная связь, которая использует свет вместо радиоволн для передачи данных. Свет обеспечивает значительно большую доступную полосу пропускания, предотвращает помехи существующим беспроводным системам и может быть направлен с высокой точностью. Эти преимущества делают его особенно привлекательным для помещений, таких как офисы, дома, больницы, центры обработки данных и общественные места, где многим пользователям одновременно требуется быстрое соединение.

Авторы исследования создали компактный оптический беспроводной передатчик, обеспечивающий как чрезвычайно высокую скорость, так и повышенную энергоэффективность. Система построена на основе крошечного чипа, содержащего массив полупроводниковых лазеров, в сочетании с оптической схемой, которая тщательно контролирует распределение света. Вместе эти компоненты создают масштабируемую платформу для высокоскоростной беспроводной связи внутри помещений.

В основе системы лежит специально разработанный 5 × 5 массив вертикально-излучающих лазеров, известных как VCSEL. Эти инфракрасные лазеры широко используются в центрах обработки данных и сенсорных технологиях, поскольку они эффективны и способны работать на очень высоких скоростях. Их также можно изготавливать в больших массивах с использованием стандартных методов полупроводникового производства. Каждый лазер в массиве может управляться независимо и передавать свой собственный поток данных. За счет одновременной работы нескольких лазеров система значительно увеличивает общую пропускную способность по сравнению с одним источником света. Весь массив помещается на чипе размером менее миллиметра, что делает его подходящим для компактных беспроводных точек доступа и потенциально достаточно малым для интеграции в такие устройства как смартфоны.

Для тестирования системы была создана оптическая линия связи в свободном пространстве длиной два метра. Каждый лазер передавал данные, используя метод модуляции, который разделяет информацию на несколько близко расположенных частотных каналов. Такой подход максимизирует эффективность использования полосы пропускания и адаптируется к изменениям качества сигнала. Из 25 лазеров 21 был активен во время тестирования. Отдельные лазеры достигли скорости передачи данных примерно от 13 до 19 Гбит/с. В совокупности система достигла общей скорости передачи данных 362.7 Гбит/с. Это одна из самых высоких зарегистрированных скоростей для оптического беспроводного передатчика на чипе в паре с приемником в свободном пространстве.

Повышение энергоэффективности имеет решающее значение, поскольку спрос на беспроводную передачу данных продолжает расти. Традиционные радиосистемы требуют больше энергии для поддержки более высоких скоростей, что увеличивает как затраты, так и воздействие на окружающую среду. Оптическая беспроводная система использует лазерные источники, которые по своей природе энергоэффективны и способны работать на высоких скоростях без сложных требований к энергопотреблению. В результате она потребляет гораздо меньше энергии на бит передаваемых данных по сравнению с традиционными системами.

Совокупность легкого производства, низкого энергопотребления, высокой эффективности и малых габаритов делают данную разработку чрезвычайно перспективной альтернативой современных методик беспроводной связи.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?