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用陽光代替wifi訊號,實現連網並傳輸資料,這可能嗎?有人做到了。
沙烏地阿拉伯的研究者設計了一種智慧玻璃系統。它能把窗戶當成數據機,透過改變陽光性質來傳輸資訊。
手機攝影鏡頭接收光訊號後,再將其轉換回二進位資料。 只需功率為1瓦的太陽能電池,就能讓其運行。
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目前,該研究已發表在《IEEE光子學雜誌》(IEEE Photonics Journal)上。
你,相信光嗎?
以前,通常是改變光的強度對其進行編碼。 但光在空氣傳播中,其強度會受氣壓等環境影響而不斷變化,傳輸效率太低,且人眼對光強劇烈變化十分敏感。這次,研究者轉而使用光的偏振原理。
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課本有學過,光作為一種橫波,如果讓其透過特定介質(偏振片),將只保留特定方向的部分光波。
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透過上述原理,研究者設計出一個系統,透過改變光波偏振狀況,將資訊搭載到陽光中,而且人眼不易察覺變化。 這些改變需要透過液晶材料才能做到。在不同電壓下,此類材料分子排列將發生改變,繼而左右該介質光的偏振情況。
但這還不夠。
為提升編碼效率,研究者還參考液晶快門的時間回應函數,並考慮透光介質雙折射等問題,將兩個反向的液晶 (LC) 單元堆疊在一起。最終,整個調變系統包含3個偏振片,2個反向液晶層(一個常白、一個常黑)——
研究者將其稱為雙單元液晶快門(DLS)。
此種設計的好處在於:
比起單層液晶偏振系統,它能夠更快改變光波偏振,降低編碼錯誤,同時,對於光在傳播中強度隨機起伏的「閃爍效應」也能減小影響。
從下圖能看出,紅線為常白模式對訊號1的輸出,藍線為常黑模式,當兩者堆疊後,訊號「1」的脈衝(綠色曲線)更短,變化更迅速,在通信編碼中效率更高。
以DLS為基本調變單元,研究者為替代wifi設計了一整套資訊傳輸系統:
先讓陽光照射過智慧型玻璃窗,窗戶本身就是調變器,透過DLS改變光波偏振情況,對其進行調變編碼。
搭載資訊後的光波繼續進入室內,再被手機等終端攝影鏡頭接收到,再把收到的訊號調變回成二進位資料。
為了進一步提升傳輸速率,研究者還使用了分時多工技術(TDM)。
該技術簡單說,就是在一個通道內將傳輸時間進行切割,按一定次序給不同設備分配傳輸接受時間,輪到某個設備時,該設備就開啟傳輸,同時其他設備傳輸將被切斷。
最後,研究團隊通過建模,觀察了自己搭建系統的傳輸表現。
目前較主流的對光調變並直接傳輸通信方式會採用半導體光放大器(SoA),研究者選取了兩種調變模式進行對比:調變面積66平方公分的RetroTurbo,以及調變面積14平方公分PassiveVLC。
結果顯示,同等調變面積與同等傳輸距離下,他們的系統均優於目前最先進的方式,最高傳輸速率可達16Kbps。
能耗方面,僅需1W的太陽能電池板,就能驅動整個系統運轉。
儘管目前傳輸資訊速率有限,但團隊認為該成果預示著陽光不僅僅是一種能量資源,更是一種資訊資源,這將有助於我們以更低能耗進行資訊傳輸。
關於後續研究規劃,團隊表示:
他們下一步希望能將傳輸速率提升到每秒MB,甚至GB等級的傳輸速度,為此將申請訂購相關測試硬體。
團隊介紹
最後瞭解下研究團隊成員。
一作Sahar Ammar來自阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST),電氣和數學科學與工程 (CEMSE) 部門,主要研究方向為光通信;二作Osama Amin,同樣來自阿卜杜拉國王科技大學的電氣和數學科學與工程 (CEMSE) 部門;
指導老師Basem Shihada,主要研究領域為無線、有線通信,也涉足網路安全與雲計算。
參考連結:
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