A conectividade sem fio rápida e confiável é essencial na vida diária. Chamadas de vídeo, streaming de mídia, realidade virtual e dispositivos conectados dependem de redes que já estão sob forte estresse. Hoje, a maioria das comunicações sem fio depende de tecnologias baseadas em rádio, como Wi-Fi e redes celulares. Embora esses sistemas possibilitem 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 são as comunicações ópticas sem fio, que utilizam luz em vez de ondas de rádio para transmitir dados. A luz fornece mais largura de banda disponível, evita interferência com sistemas sem fio existentes e pode ser guiada com alta precisão. Estas vantagens tornam-no particularmente atraente para espaços interiores como escritórios, residências, hospitais, centros de dados e espaços públicos onde muitos utilizadores necessitam de ligações rápidas ao mesmo tempo.
Em um estudo publicado em Nexus Fotônico AvançadoOs pesquisadores desenvolveram um transmissor óptico sem fio compacto que oferece velocidades extremamente altas e melhora a 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 de comunicações sem fio internas escalável e de alta capacidade.
Pequeno conjunto de laser envia grandes quantidades de dados
No centro do sistema está um conjunto de laser emissor de superfície de cavidade vertical 5 × 5 personalizado, chamado VCSEL. Esses lasers infravermelhos são comumente usados em data centers e tecnologia de detecção porque são eficientes e podem 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 simultaneamente, o sistema aumenta significativamente a capacidade total de dados em comparação com uma única fonte de luz. Todo o conjunto é montado em um wafer menor que um milímetro, tornando-o adequado para pontos de acesso sem fio compactos e potencialmente pequeno o suficiente para ser integrado em dispositivos como smartphones.
Os pesquisadores usaram tecnologia comprovada de semicondutores para produzir os chips e montá-los em placas de circuito personalizadas. Os primeiros testes mostram desempenho consistente em todo o array, com saída estável e suporte para transferência de dados em alta velocidade.
Velocidades sem fio de fibra óptica recordes
Para testar o sistema, a equipe criou um link óptico de espaço livre com extensão de dois metros. Cada laser transmite dados usando um método 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.
Dos 25 lasers, 21 estavam ativos durante os testes. A taxa de dados para um único laser é de aproximadamente 13 a 19 gigabits por segundo. Combinadas, a taxa total de dados do sistema chega a 362,7 gigabits por segundo. Esta é uma das velocidades mais altas para um transmissor óptico sem fio em escala de wafer emparelhado com um receptor de espaço livre.
Os pesquisadores notaram que o desempenho foi limitado pela largura de banda do fotodetector comercial usado no experimento. Com receptores mais avançados, o mesmo sistema pode atingir velocidades mais elevadas.
Moldando a luz das conexões multiusuário
O uso de vários feixes ao mesmo tempo representa um desafio importante: evitar sobreposições que possam causar interferência. Para resolver esse problema, os pesquisadores projetaram um sistema óptico que pode moldar e guiar com precisão cada feixe.
O conjunto de microlentes primeiro alinha e endireita a luz de cada laser. Lentes adicionais organizam então o feixe em uma grade estruturada de áreas quadradas iluminadas na superfície receptora. Este layout garante que cada viga cubra uma área específica com sobreposição mínima.
Os testes mostram que dentro de uma área de iluminação a dois metros de distância, a uniformidade da distribuição da luz chega a mais de 90%. Esta abordagem estruturada permite que diferentes feixes de luz sejam atribuídos a diferentes utilizadores ou equipamentos dentro da mesma sala.
A equipe também demonstrou capacidades multiusuário ativando vários lasers simultaneamente. Em testes utilizando quatro feixes sincronizados, cada conexão permaneceu estável, fornecendo uma taxa de dados combinada de aproximadamente 22 GB por segundo. Os resultados confirmam que múltiplos links ópticos podem operar simultaneamente sem interferência significativa.
Consome menos energia que o Wi-Fi
À medida que a procura de dados sem fios continua a crescer, é fundamental melhorar a eficiência energética. Os sistemas tradicionais baseados em rádio requerem mais potência para suportar velocidades mais altas, aumentando os custos e o impacto ambiental.
Os sistemas ópticos sem fio usam fontes de luz laser que são inerentemente eficientes em termos de energia e capazes de operar em altas velocidades sem requisitos complexos de energia. Como resultado, cada bit de dados transmitido consome muito menos energia do que os sistemas Wi-Fi tradicionais. As medições mostram um consumo de energia por bit de aproximadamente 1,4 nanojoules, aproximadamente metade do consumo de energia das principais tecnologias Wi-Fi em condições semelhantes.
Complementar a rede existente
Os pesquisadores enfatizam que a tecnologia óptica sem fio não se destina a substituir as redes Wi-Fi ou celulares. Em vez disso, trabalha em conjunto com eles, lidando com tráfego de dados de alto volume em ambientes internos e reduzindo o congestionamento em sistemas baseados em rádio.
No futuro, sistemas semelhantes poderão ser incorporados em tetos, luminárias ou pontos de acesso sem fio, proporcionando conectividade rápida, segura e com baixo consumo de energia para muitos usuários. Ao combinar 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, proporcionando maior desempenho sem aumentar o consumo de energia.
