Дальнее ультрафиолетовое излучение передало данные со скоростью 1,5 Гбит/с без помех от солнечного света

Надёжные беспроводные каналы необходимы автономным транспортным средствам и дронам, подключённому промышленному оборудованию, робототехнике и системам гражданской защиты. Однако по мере роста числа устройств всё больше систем конкурируют за ограниченный радиочастотный ресурс. Оптическая беспроводная связь может стать дополнением к радиотехнологиям, используя для передачи информации не радиоволны, а модулированное световое излучение.

У традиционных систем, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, есть существенный недостаток при эксплуатации на открытом воздухе: солнечный свет содержит значительную составляющую в этих диапазонах. Фоновое излучение может снижать отношение сигнал/шум и затруднять приём данных. Для некоторых оптических систем это также означает необходимость точного наведения узкого лазерного луча между передатчиком и приёмником.

Дальний ультрафиолетовый диапазон позволяет решить часть этой проблемы на физическом уровне. При длинах волн короче примерно 280 нм солнечное излучение практически полностью поглощается атмосферой и почти не достигает земной поверхности. Поэтому диапазон 200–300 нм, а особенно область ниже 235 нм, характеризуется крайне низким уровнем солнечного фонового излучения. Такой режим иногда называют «солнечно-слепым» (solar-blind).

Именно на эту особенность сделали ставку разработчики FBH. Созданные ими светодиоды работают в дальнем ультрафиолетовом диапазоне и предназначены не только для получения высокой оптической мощности, но и для быстрой модуляции. Это принципиально важно для связи: скорость передачи данных определяется не только мощностью источника, но и тем, насколько быстро он способен изменять интенсивность излучения.

«Мы оптимизировали наши светодиоды специально для оптической связи в этом спектральном диапазоне», — говорит доктор Ян Рушель, старший научный сотрудник FBH. По его словам, устройства обладают высокой оптической мощностью и могут модулироваться с высокой скоростью, что делает их перспективными для обмена данными как внутри помещений, так и на открытом воздухе.

Для увеличения полосы модуляции исследователи изменили конструкцию излучающей поверхности светодиодов. Вместо одной большой области её разделили на множество небольших участков. Уменьшение площади отдельных излучающих областей снижает ёмкость p–n-перехода, а увеличение плотности тока позволяет повысить скорость модуляции. В результате такие светодиоды способны работать на существенно более высоких частотах модуляции, чем устройства с большой единой излучающей поверхностью.

На следующем этапе учёные Университета Стратклайда и Кембриджского университета использовали разработанные источники для построения и экспериментальной проверки оптического канала связи. Передатчик и приёмник располагались в условиях прямой видимости, а максимальная дистанция между ними составляла 30 см (12 дюймов). При естественном освещении помещения система обеспечила скорость передачи до 1,5 Гбит/с.

Для столь коротковолнового диапазона это важный результат. Он показывает, что дальний UVC может использоваться не только как специфический источник ультрафиолетового излучения, но и как высокоскоростной канал беспроводной передачи данных. При этом низкий уровень солнечного фона потенциально позволяет создавать системы, менее чувствительные к внешней засветке, чем оптические решения в видимом и инфракрасном диапазонах.

Особый интерес представляет возможность применения такой связи вне помещений — например, для взаимодействия между роботами, беспилотными аппаратами, промышленными устройствами или элементами инфраструктуры. Однако нынешний эксперимент демонстрирует прежде всего работоспособность технологии и рекордную скорость на короткой дистанции. До практических систем связи с существенно большей дальностью ещё предстоит решить задачи, связанные с эффективностью источников, оптическими потерями, чувствительностью фотоприёмников, атмосферным поглощением и безопасностью эксплуатации.

Важным аспектом остаётся и воздействие UVC на человека. Излучение с длиной волны менее 235 нм действительно поглощается преимущественно поверхностными слоями кожи и роговицей, однако это не означает автоматической безопасности любой системы на его основе: допустимость применения определяется спектром, мощностью, экспозицией и конструкцией конкретного устройства.