Обычные солнечные элементы задействуют в системах беспроводной оптической связи под водой

Как известно, основное назначение фотоэлементов – это преобразование света в энергию, но китайские ученые доказали, что их также можно использовать для обеспечения подводной беспроводной оптической связи с высокоскоростной передачей данных. Новый подход, в котором в качестве детекторов используется

Как известно, основное назначение фотоэлементов – это преобразование света в энергию, но китайские ученые доказали, что их также можно использовать для обеспечения подводной беспроводной оптической связи с высокоскоростной передачей данных. Новый подход, в котором в качестве детекторов используется массив последовательно соединенных солнечных элементов, предлагает дешевый способ передачи данных под водой с низким энергопотреблением.

«Существует острая необходимость в эффективной подводной связи для удовлетворения растущих потребностей в обмене данными в рамках всемирной деятельности по защите океана», — сказал руководитель исследовательской группы Цзин Сюй из Чжэцзянского университета в Китае. Например, в усилиях по сохранению коралловых рифов необходимы каналы для передачи данных от водолазов, пилотируемых подводных лодок, подводных датчиков и беспилотных автономных аппаратов на надводные корабли, поддерживающие их работу.

В журнале Optics Letters Сюй и его коллеги рассказали о лабораторных экспериментах, в которых они использовали набор коммерчески доступных солнечных элементов для создания безлинзовой системы для высокоскоростного оптического обнаружения под водой. Как заявляют ученые, солнечные элементы предлагают гораздо большую зону обнаружения, чем фотодиоды, традиционно используемые в качестве детекторов в беспроводной оптической связи.

«Насколько нам известно, мы продемонстрировали самую высокую пропускную способность, когда-либо достигнутую для коммерческой системы оптической связи на основе кремниевых солнечных элементов с большой зоной обнаружения, - сказал Сюй. - Система такого типа может даже обеспечить и обмен данными, и выработку электроэнергии с помощью одного устройства».

По сравнению с использованием радио или акустики, подводная беспроводная связь на основе световых волн демонстрирует более высокую скорость, меньшую задержку и требует меньше энергии. Однако большинство высокоскоростных оптических систем дальнего действия не подходят для подводного применения, поскольку они требуют тонкой настройки между передатчиком, излучающим свет, и приемником, который обнаруживает входящий световой сигнал.

Поскольку солнечные элементы обнаруживают свет с большой площади и преобразуют его в электрический сигнал, их использование в качестве детекторов может упростить требования по выравниванию передатчика и приемника. Однако добиться высокой пропускной способности было сложно, поскольку солнечные элементы оптимизированы для сбора энергии, а не для связи.

«До сих пор для обеспечения высокоскоростных соединений с использованием готовых кремниевых солнечных элементов требовались сложные схемы и алгоритмы модуляции, для которых требовались интенсивные вычислительные ресурсы, потребляющие дополнительную мощность и создающие высокую задержку обработки, - сказал Сюй. - Используя моделирование и симуляцию подключенных солнечных элементов, мы оптимизировали периферийную схему, что значительно улучшило производительность нашего детектора».

Исследователи протестировали новую конструкцию, в которой использовалась солнечная батарея 3×3 см для создания области обнаружения 3,4×3,4 см, в резервуаре с водой длиной 7 метров, который имитировал подводный канал. Зеркала использовались для увеличения длины пути оптического сигнала, создавая расстояние передачи 35 метров. Система показала надежность, стабильность, низкое энергопотребление и высокую производительность. По мере увеличения размера солнечной батареи с 1×1 до 3×3 см полоса пропускания по уровню −20 дБ увеличивалась с 4,4 МГц до 24,2 МГц.

«Поскольку солнечные элементы производятся массово, предлагаемая схема является вполне рентабельной, - отметил Сюй. - Помимо подводного мира, этот тип детектора также можно использовать для надводных систем беспроводной связи, которые используют видимый свет от светодиодов и других источников для передачи данных на расстояния».

Чтобы оптимизировать систему для реальных приложений подводной связи, исследователи планируют изучить ее работу со слабыми оптическими сигналами. Это покажет, насколько хорошо она работает в мутной воде и при движении. Они также работают над тем, чтобы сделать устройство более практичным за счет точной настройки ключевых параметров, таких как количество солнечных элементов в массиве и требуемое напряжение обратного смещения.

Источник: optica.org