A conectividade sem fio rápida e confiável é essencial na vida cotidiana. Chamadas de vídeo, streaming, realidade virtual e dispositivos conectados dependem de redes que já estão sob forte pressão. Hoje, a maioria das comunicações sem fio depende de tecnologias baseadas em rádio, como Wi-Fi e redes celulares. Embora esses sistemas tenham permitido a conectividade global, eles enfrentam desafios crescentes, como frequências de rádio lotadas, interferência de sinal em ambientes internos movimentados e demandas crescentes de energia à medida que mais dispositivos ficam on-line.
Uma solução emergente é a comunicação óptica sem fio, que utiliza luz em vez de ondas de rádio para transmitir dados. A luz oferece significativamente mais largura de banda disponível, evita interferência com sistemas sem fio existentes e pode ser direcionada com alta precisão. Estas vantagens tornam-no particularmente atraente para locais interiores, como escritórios, residências, hospitais, centros de dados e locais públicos, onde muitos utilizadores necessitam de conectividade rápida ao mesmo tempo.
Em um estudo publicado pelo Dr. Nexo fotônico avançadoOs pesquisadores desenvolveram um transmissor óptico sem fio compacto que oferece velocidade extremamente alta e maior eficiência energética. O sistema é construído em torno de um minúsculo chip contendo uma série de lasers semicondutores, combinado com um design óptico que controla cuidadosamente como a luz é distribuída. Juntos, esses componentes criam uma plataforma escalável para comunicações sem fio internas de alta capacidade.
Pequenas matrizes de laser enviam grandes quantidades de dados
No centro do sistema está um conjunto 5 × 5 personalizado de lasers emissores de superfície de cavidade vertical, conhecidos como VCSELs. Esses lasers infravermelhos são comumente usados em data centers e tecnologias de detecção porque são eficientes e capazes de operar em velocidades muito altas. Eles também podem ser fabricados em grandes conjuntos usando métodos padrão de fabricação de semicondutores.
Cada laser na matriz pode ser controlado de forma independente e transmitir seu próprio fluxo de dados. Ao operar vários lasers ao mesmo tempo, o sistema aumenta drasticamente a capacidade total de dados em comparação com uma única fonte de luz. Todo o array cabe em um chip menor que um milímetro, tornando-o adequado para pontos de acesso sem fio compactos e pequeno o suficiente para ser integrado em dispositivos como smartphones.
Os pesquisadores fabricaram o chip usando técnicas estabelecidas de semicondutores e o montaram em uma placa de circuito personalizada. Os testes iniciais mostram desempenho consistente em arrays com saída estável e suporte para transmissão de dados em alta velocidade.
Velocidade sem fio óptica recorde
Para testar o sistema, a equipe construiu um link óptico em espaço livre com extensão de dois metros. Cada laser transmite informações usando um esquema de modulação que divide as informações em vários canais de frequência bem espaçados. Esta abordagem maximiza a eficiência da largura de banda e se adapta às mudanças na qualidade do sinal.
21 dos 25 lasers estavam ativos durante o teste. Lasers individuais atingem taxas de dados entre 13 e 19 gigabits por segundo. Coletivamente, o sistema atingiu uma taxa total de dados de 362,7 gigabytes por segundo. Esta é uma das velocidades mais altas relatadas associadas a um receptor de espaço livre para um transmissor óptico sem fio em escala de chip.
Os pesquisadores notaram que o desempenho foi limitado pela largura de banda dos fotodetectores comerciais usados no experimento. Com um receptor mais avançado, o mesmo sistema poderia atingir velocidades ainda mais altas.
Modelagem de luz para conexões multiusuário
A utilização simultânea de muitos feixes de luz apresenta um desafio fundamental: evitar sobreposições que possam causar interferências. Para resolver isso, os pesquisadores projetaram um sistema óptico que molda e direciona com precisão cada feixe.
Um conjunto de microlentes primeiro alinha e endireita a luz de cada laser. Lentes adicionais organizam então os feixes em uma grade estruturada de áreas de iluminação quadradas na superfície receptora. Este arranjo garante que cada viga cubra uma área específica com sobreposição mínima.
Os testes mostraram que a distribuição da luz atingiu mais de 90% de uniformidade em toda a área iluminada a uma distância de dois metros. Com esta abordagem estruturada, diferentes feixes podem ser atribuídos a diferentes usuários ou dispositivos na mesma sala.
A equipe também demonstrou capacidades multiusuário ativando vários lasers simultaneamente. Num teste com quatro feixes simultâneos, cada conexão se mostrou estável, entregando uma taxa de dados combinada de cerca de 22 gigabits por segundo. Os resultados confirmam que múltiplos links ópticos podem operar simultaneamente sem interferência significativa.
Menos consumo de energia que o Wi-Fi
Melhorar a eficiência energética é fundamental à medida que a procura de dados sem fios continua a crescer. Os sistemas tradicionais baseados em rádio requerem mais potência para suportar velocidades mais altas, aumentando tanto o custo como o impacto ambiental.
Os sistemas ópticos sem fio usam fontes de laser que são inerentemente eficientes em termos de energia e capazes de operação em alta velocidade sem demandas complexas de energia. Como resultado, consome muito menos energia por bit de dados transmitidos do que os sistemas Wi-Fi convencionais. As medições mostraram um consumo de energia de cerca de 1,4 nanojoules por bit, cerca de metade do consumo de tecnologias Wi-Fi líderes em condições semelhantes.
Complementando redes existentes
Os pesquisadores enfatizam que a tecnologia óptica sem fio não se destina a substituir as redes Wi-Fi ou celulares. Em vez disso, pode trabalhar em conjunto com eles, lidando com o tráfego de dados de alta capacidade em ambientes internos e reduzindo o congestionamento em sistemas baseados em rádio.
Olhando para o futuro, sistemas semelhantes podem ser integrados em tetos, luminárias ou pontos de acesso sem fio, fornecendo conexões rápidas, seguras e com baixo consumo de energia para muitos usuários simultaneamente. Combinando matrizes de laser compactas, transmissão de alta velocidade e controle óptico preciso, esta abordagem fornece um caminho prático para redes sem fio internas de próxima geração que oferecem maior desempenho sem aumentar o consumo de energia.
