레이저 구동 무선은 360Gbps에 도달하고 Wi-Fi 에너지의 절반을 사용합니다.

새로운 솔루션 중 하나는 전파 대신 빛을 사용하여 데이터를 전송하는 광무선 통신입니다. Light는 훨씬 더 많은 사용 가능한 대역폭을 제공하고 기존 무선 시스템과의 간섭을 피하며 높은 정밀도로 방향을 지정할 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 많은 사용자가 동시에 빠른 연결이 필요한 사무실, 집, 병원, 데이터 센터 및 공공 장소와 같은 실내 공간에 특히 매력적입니다.

에 발표된 연구에서 고급 포토닉스 넥서스연구원들은 매우 빠른 속도와 향상된 에너지 효율성을 모두 제공하는 소형 광학 무선 송신기를 개발했습니다. 이 시스템은 반도체 레이저 배열이 포함된 작은 칩을 중심으로 구축되었으며, 빛이 분산되는 방식을 세심하게 제어하는 ​​광학 설계와 결합되었습니다. 이러한 구성 요소는 함께 고용량 실내 무선 통신을 위한 확장 가능한 플랫폼을 만듭니다.

작은 레이저 어레이로 대용량 데이터 전송

시스템의 핵심에는 VCSEL로 알려진 맞춤 설계된 수직 공동 표면 방출 레이저의 5×5 배열이 있습니다. 이러한 적외선 레이저는 효율적이고 매우 빠른 속도로 작동할 수 있기 때문에 데이터 센터 및 감지 기술에 일반적으로 사용됩니다. 또한 표준 반도체 제조 방법을 사용하여 대규모 어레이로 제조할 수도 있습니다.

어레이의 각 레이저는 독립적으로 제어될 수 있으며 자체 데이터 스트림을 전송할 수 있습니다. 여러 레이저를 동시에 실행함으로써 시스템은 단일 광원에 비해 총 데이터 용량을 대폭 늘립니다. 전체 어레이는 1밀리미터보다 작은 칩에 들어가므로 소형 무선 액세스 포인트에 적합하고 잠재적으로 스마트폰과 같은 장치에 통합할 수 있을 만큼 작습니다.

연구원들은 확립된 반도체 기술을 사용하여 칩을 생산하고 이를 맞춤형 회로 기판에 탑재했습니다. 초기 테스트에서는 안정적인 출력과 고속 데이터 전송 지원을 통해 어레이 전반에 걸쳐 일관된 성능을 보여주었습니다.

기록적인 광 무선 속도

시스템을 테스트하기 위해 팀은 2미터에 달하는 자유 공간 광학 링크를 만들었습니다. 각 레이저는 정보를 밀접하게 간격을 둔 여러 개의 주파수 채널로 분할하는 변조 방법을 사용하여 데이터를 전송했습니다. 이 접근 방식은 대역폭 효율성을 극대화하고 신호 품질 변화에 적응합니다.

25개의 레이저 중 21개가 테스트 중에 활성화되었습니다. 개별 레이저는 대략 초당 13~19기가비트의 데이터 속도에 도달했습니다. 결합하여 시스템은 초당 362.7기가비트의 총 데이터 속도를 달성했습니다. 이는 자유 공간 수신기와 결합된 칩 규모의 광 무선 송신기에 대해 보고된 최고 속도 중 하나입니다.

연구진은 성능이 실험에 사용된 상용 광검출기의 대역폭에 의해 제한된다는 점에 주목했습니다. 고급 수신기를 사용하면 동일한 시스템이 잠재적으로 훨씬 더 빠른 속도에 도달할 수 있습니다.

다중 사용자 연결을 위한 조명 형성

한 번에 많은 광선을 사용하면 간섭을 일으킬 수 있는 중첩을 방지하는 중요한 과제가 발생합니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 각 광선을 정확하게 형성하고 방향을 지정하는 광학 시스템을 설계했습니다.

마이크로렌즈 배열은 먼저 각 레이저의 빛을 정렬하고 직선화합니다. 그러면 추가 렌즈가 빔을 수신 표면에 있는 정사각형 조명 영역의 구조화된 격자로 구성합니다. 이 레이아웃을 사용하면 각 빔이 최소한의 중첩으로 특정 영역을 덮을 수 있습니다.

테스트 결과, 조명 분포는 2m 거리에서 조명 영역 전체에 걸쳐 90% 이상의 균일성을 달성한 것으로 나타났습니다. 이러한 구조화된 접근 방식을 통해 동일한 공간 내의 다양한 사용자 또는 장치에 다양한 빔을 할당할 수 있습니다.

팀은 또한 여러 개의 레이저를 한 번에 활성화하여 다중 사용자 기능을 시연했습니다. 4개의 동시 빔을 사용한 테스트에서 각 연결은 안정적으로 유지되어 초당 약 22기가비트의 통합 데이터 속도를 제공했습니다. 결과는 여러 개의 광 링크가 심각한 간섭 없이 동시에 작동할 수 있음을 확인합니다.

Wi-Fi보다 에너지 사용량이 적습니다.

무선 데이터 수요가 지속적으로 증가함에 따라 에너지 효율성을 개선하는 것이 중요합니다. 기존의 무선 기반 시스템은 더 빠른 속도를 지원하기 위해 더 많은 전력이 필요하므로 비용과 환경에 미치는 영향이 모두 증가합니다.

광 무선 시스템은 본질적으로 에너지 효율적이고 복잡한 전력 요구 없이 고속 작동이 가능한 레이저 소스를 사용합니다. 결과적으로 기존 Wi-Fi 시스템에 비해 전송된 데이터 비트당 에너지를 훨씬 적게 소비합니다. 측정 결과 비트당 약 1.4나노줄의 에너지 사용량이 나타났으며, 이는 유사한 조건에서 주요 Wi-Fi 기술의 약 절반에 해당합니다.

기존 네트워크 보완

연구원들은 광무선 기술이 Wi-Fi나 셀룰러 네트워크를 대체할 의도는 없다고 강조합니다. 대신, 실내 환경에서 대용량 데이터 트래픽을 처리하고 무선 기반 시스템의 혼잡을 줄이는 등 함께 작동할 수 있습니다.

앞으로는 유사한 시스템을 천장, 조명 기구 또는 무선 액세스 포인트에 구축하여 많은 사용자에게 동시에 빠르고 안전하며 에너지 효율적인 연결을 제공할 수 있습니다. 소형 레이저 어레이, 고속 전송 및 정밀 광학 제어를 결합한 이 접근 방식은 에너지 소비를 늘리지 않고도 더 뛰어난 성능을 제공하는 차세대 실내 무선 네트워크를 향한 실용적인 경로를 제공합니다.