ЭКСКЛЮЗИВНЫЙ МАТЕРИАЛ. Предисловие редактора: Сегодня EdisonReport с гордостью публикует свою первую научную статью. Она была написана Леоном Блэком (Leon Black) из NanoFab Technologies (Темпе, штат Аризона, США). Статья посвящена прорывной технологии для Li-Fi. Мы обсудили эту новую структуру с несколькими отраслевыми экспертами и убедились, что потенциальные преимущества будут выходить далеко за пределы Li-Fi.
Прорыв с точки зрения скорости передачи данных по Li-Fi.
Li-Fi — это оптический аналог обычного Wi-Fi, то есть вместо беспроводной радиосвязи для передачи данных используется свет. Свет легче ограничить физически, чем радиоволны, поскольку он не проходит сквозь стены, шторы или другие непрозрачные поверхности. Технология Visible Light Communications (VLC) или Li-Fi обеспечивает гораздо более широкие возможности с точки зрения безопасности, чем традиционный Wi-Fi. Сигналы Wi-Fi беспрепятственно распространяются за пределы зданий и могут быть перехвачены злоумышленниками с использованием сравнительно простых антенных систем на удивительно больших расстояниях. Это делает Wi-Fi-связь легкой целью для «прослушки». Проблемы для военных, промышленников и всех тех, для кого важна конфиденциальность, очевидны. Даже если канал будет зашифрован, ключи шифрования могут быть потеряны или взломаны. Наиболее надежным решением является предотвращение перехвата сигналов. Шифрование может быть реализовано в качестве второго уровня безопасности, но с точки зрения большинства практических областей применения, если самая уязвимая область слабо защищена, дополнительная защита является бессмысленной. Защита конфиденциальности сигналов, помимо очевидных интересов военных и бизнесменов, также становится все более важной для потребителей по мере увеличения объема коммуникации и наступления эпохи Интернета вещей (IoT). В рамках этих задач технология Data Over Light (DOL) способна проявить себя с лучшей стороны и сделать сеть устойчивой как для отслеживания, так и для взлома.
В качестве излучателей света Li-Fi обычно использует светодиоды, которые являются неотъемлемой частью процесса модуляции сигнала. Светодиоды излучают свет, когда носители электрического заряда вводятся в запрещенную зону полупроводникового материала. Физическая структура, которая генерирует ток, представляет собой конденсатор, содержащий материал с прямыми переходами: две электропроводящие пластины подключены к источнику питания и разделены кусочком легированного материала с прямой запрещенной зоной, такого как арсенид галлия (GaAs). Этой структурой, как и всеми другими структурами с высокой емкостью, сложно управлять на высокой частоте (скорости) и на практическом уровне мощности. Другими словами, при использовании светодиодов сложно быстро излучать правильно модулированный свет для высокоскоростной передачи данных.
Как правило, все светодиоды имеют время нарастания и спада сигнала в диапазоне от 10 нс до 1 мс (от 10-8 до 10-6 секунд). Это среднее время, которое требуется для того, чтобы электрон в зоне проводимости полупроводника рекомбинировал с отверстием, генерируя фотон. Таким образом, если для передачи импульса при 100% модуляции требуется пять периодов нарастания/спада, то верхний предел скорости физической модуляции для коммуникационных светодиодов приближается к 20 МГц. Эти светодиоды обычно излучают свет с длиной волны приблизительно 450 нм. Подавляющее большинство коммерческих «белых» светодиодов используют желтый люминофор перед УФ/синим светодиодом. В результате сочетание синего и желтого света создает видимый белый свет. Но время реакции желтого люминофора еще больше снижает и без того ограниченное быстродействие устройства. Путем подбора различных материалов и (или) структур это ограничение люминофора можно уменьшить или даже полностью устранить, но проблема емкости при использовании светодиодов в качестве источника модулированного света остается. Указанные скорости для светодиодных устройств часто достигаются путем управления светодиодами с более низким коэффициентом модуляции. Тот есть модуляция осуществляется не путем включения и выключения, а, например, путем перехода с 65% максимального сигнала до 35% максимального сигнала. Однако этот низкий коэффициент модуляции увеличивает частоту ошибочных битов (BER), то есть данные передаются быстрее, но с большим количеством ошибок. Увеличить скорость передачи данных также можно путем развертывания нескольких параллельных каналов связи и использования различных алгоритмов сжатия. Для некоторых типов данных эффективная скорость передачи может быть намного выше, чем физическая частота модуляции (от 50 до 100 МГц, в зависимости от конкретного типа данных и их сжимаемости).
Компания NanoFab Technologies (Темпе, штат Аризона, США) разработала новую структуру, которая непосредственно вводит электроны в светоизлучающие квантовые точки. Электроны модулируются до подачи в структуру квантовых точек. Благодаря этим наноструктурам отсутствует внутренняя структурная емкость устройства, которая обычно ограничивает скорость и мощность модуляции. Соответственно, нам не нужно управлять структурой высокой емкости на высоких скоростях. Вместо этого мы модулируем наш входной ток, а затем вводим электроны в светоизлучающий материал. Таким образом, модуляция токового сигнала не зависит от излучения света. Благодаря своему малому размеру квантовые точки имеют более высокую плотность состояний и небольшой радиус экситона. Это гарантирует удивительно быстрое реагирование. Недавно было продемонстрировано, как квантовые точки модулируют частоту 90 ГГц (Хсу, 2015) (Хоанг, 2015) – это на несколько порядков выше, чем модуляция света от любого используемого на практике светодиода.
Компания NanoFab Technologies недавно продемонстрировала технологию прямой инжекции электронов с физической полосой модуляции шириной 420 МГц. Такая физическая модуляция значительно превышает привычные 20 МГц, достигаемые с помощью коммуникационных светодиодов. Разумеется, все алгоритмы сжатия, повышающие скорость передачи данных с помощью светодиодов, также будут работать с методами модуляции света от NanoFab. Таким образом, возможности технологии инжекции прямого тока значительно превосходят возможности светодиодов, применяемых для Li-Fi.
На Рисунке 1 показано излучение света при прямой инжекции электронов в испытательной камере. На Рисунке 2 показана синусоида 420 МГц, используемая для инжекции модулированных электронов. На Рисунке 3 показана инжекция модулированного тока с частотой 420 МГц. В настоящее время компания NanoFab Technologies демонстрирует физическую модуляцию на гораздо более высоких скоростях с использованием прямого тока. Разрабатывается испытательное оборудование следующего поколения для демонстрации физической инжекции модулированного тока с частотой в несколько гигагерц.
NanoFab Technologies считает, что физическая модуляция Li-Fi с частотами в несколько ГГц станет доминирующей технологией в тех областях, где приоритетными являются безопасные локальные коммуникации, включая пункты сбора и обработки секретной информации с особым режимом хранения (Sensitive Compartmented Information Facilities, SCIF). Свет Li-Fi, распространение которого достаточно просто ограничить, представляет собой большой прорыв с точки зрения обеспечения безопасности сигнала, а технология NanoFab позволит сетям Li-Fi достигать значительно более высоких скоростей передачи и увеличивать пропускную способность. Эта новая технология оптической связи будет защищена от любых помех. Такая непревзойденная комбинация высокой надежности и высокой скорости передачи данных позволяет создавать максимально эффективные решения для организации скрытной связи и обеспечения информационной безопасности (COMSEC/INFOSEC), которые, наконец, станут доступными для всех.