Li-Fi (Light Fidelity) הוא טכנולוגיית תקשורת אלחוטית חדשנית המשתמשת אור גלוי, אולטרה סגול, וספקטרום אינפרא אדום לשדר נתונים.בניגוד ל-Wi-Fi המסורתית, המסתמך על גלי רדיו, Li-Fi מציעה העברת נתונים במהירות גבוהה עם אבטחה מוגברת והפרעות אלקטרומגנטיות מופחתות להפעלה של מערכות Li-Fi הן מקלטים אופטיים, אשר מקודמים את אותות האור לנתונים הניתנים לשימוש אלקטרוני כמו מהנדסי, כמו גם עבור יישומים מסחריים, ומהנדסים, והופכים לחיקויים, והופכים לאדריכלים, עיצוביים, והופכים לאדריכלים, והופכים לאדריכלים, והופכים לאדריכלים, לאדריכלים חיוניים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים אופטיים, והופכים לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, והופכים לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים אופטיים, לאדריכלים אופטיים, לאדריכלים, לאדריכלים, הופכים לאדריכלים אופטיים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים, לאדריכלים אופטיים, לאדריכלים, הופכים ל

העיקרון שמאחורי Li-Fi הוא פשוט: מקור LED או לייזר משנה את עוצמת האור במהירויות גבוהות מאוד - הרבה יותר מהר מאשר העין האנושית יכול לתפוס - ו photodetector על קבלת הסוף ללכוד את התנודות האלה. המקלט האופטי הוא המרכיב שמשגמל את התחומים אופטיים ואלקטרוניים, להמיר אור מודולר לתוך זרמים חשמליים שיכולים להיות ממוסממים, מסונן, ו decoded.

מאמר זה חוקר את התפקיד של מקלטים אופטיים בטכנולוגיות Li-Fi מתפתחות, מטיפוסי פוטודקטור בסיסיים כדי לקדם התקדמות חדשנית כגון חדודות תמונה אחת, מקלטי CMOS משולבים, ומערךים רב-הישולים עבור מספר אקסינגינג ' מרחבי.We גם לבחון את האתגרים שנשארים ואת התחזית עבור Li-Fi כטכנולוגיה משלימה או אלחוטית בעידן 5G/6.

מה הם מקבלים אופטיים?

מקלט אופטי הוא מכשיר שמזהה אור וממיר אותו לאות חשמלי. בהקשר של Li-Fi, המקלטים האלה הם בדרך כלל מוליכים למחצה פוטו-דגמנטקים שנועדו לפעול בתצוגה (400–700 nm) או ליד ספקטרום (700-1000 nm) שבו נוריות בעוצמה גבוהה ודידות לייזר זמינים.

  • (FLT:0) פוטודיודות פוטו-פלימאלי (FLT:1) - אופציה זולה, בשימוש נרחב עם אחריות טובה ומהירות מתונה. pIN diodes יש שכבה פנימית בין אזורי p-ntype, צמצום הכניעה ומאפשר תגובה מהירה יותר מאשר צומת p.
  • (FLT:0) איורים פוטודיודות (APDsigtureFLT) 1:1 - מציעים רגישות גבוהה יותר על ידי מתן רווח פנימי באמצעות ionization השפעה. APDs יכול לזהות אותות חלשים יותר, להרחיב טווח קישורים, אבל דורש מתחים הטיה גבוה יותר והם רגישים יותר לטמפרטורה.
  • (FLT:0) PhototransistorsFLT:1 - לספק רווח גבוה אבל רוחב פס נמוך יותר, מה שהופך אותם מתאימים יישומים מהירים או קרבה רגישה ולא ג'יגהביט Li-Fi.
  • (FLT:0) תצלום של אלבנכי דידות (SPADs) אנדרט 1 - מכשירים מתעוררים המסוגלים לזהות פוטונים בודדים.

מקלטים אופטיים כוללים גם מעגלים אנלוגיים קשורים - מגבר טרנססרמנט (TIA) להמיר את photocurrent לתוך מתח, מגבר מגביל כדי לקבוע את האות, ולעתים קרובות שלב סינון לדחות התערבות אור הסביבה. השילוב של photodetector ואלקטרוניקה Front-end קובע את הביצועים הכללי של המקלט: רספומנטליות, רעש רוחב פס, מקביל כוח דינמית (FEN), וטווח דינמי).

במערכות Li-Fi, המקלט האופטי חייב להיות מסוגל לעקוב אחר תנודות אינטנסיביות מהירות, אשר יכול לנוע בין עשרות מגה-הרץ עבור פשוט על-off מפתח (OOK) למאות מגה-הרץ עבור אוטגורונון תדרים - תדירות כפולה (OFDM) תוכניות רוחב הפס והלינאריות של המקלט, ולכן יש להגביל את הנתונים המודרניים של מקלטים עבור כמה מאות מטרים רבועים, עם כמה מ"ג'ר- 100.

התפקיד הקריטי של מקבלי אופטיים ב- Li-Fi

זיהוי אותות ודמויות

הפונקציה העיקרית של מקלט אופטי היא לזהות את אות האור המודעת הנפלט על ידי משדר Li-Fiter.המעביר מקודש נתונים על ידי שינוי אינטנסיביות האור - בדרך כלל באמצעות OOK, Modulation הדופק, או רב-carrier של DM. המקלט חייב ללכוד את הווריאציות האלה עם נאמנות גבוהה. בפועל, המקלט ממיר את הכוח הנכנס לתוך תמונה עכשווית כי הוא אז מוקרן באופן ישיר על ידי עיבוד זה (בצורה) באופן ישיר של איכות כוללת.

מכיוון ש- Li-Fi משתמש במודולציה אינטנסיבית (לא זיהוי קוהרנטי), המקלט אינו צריך לשחזר את השלב או תדירות של המוביל האופטי, פשט את העיצוב.עם זאת, הדרישה למגוון רחב רוחב פס וטווח דינמי גבוה נשאר.לדוגמה, קישור 1 Gbps OOK דורש רוחב פס של לפחות 1 GHz, בעוד קישור של DM עשוי לדרוש רוחב פס נמוך במקצת, אך לכפות מגבלות לינאריות קפדניות כדי למנוע התערבות בין-טרית.

אור שאיפה

אחד האתגרים המשמעותיים ביותר עבור מקלטים אופטיים הוא נוכחות של אור חזק - מאור השמש, נורות אינפיניסט, או מנורות פלואורסנט. אור Ambient מוסיף קבוע (או לאט משתנה) photocurrent שיכול ליישב את המגבר הקדמי ולהגדיל את הרעש.

מסננים להקות אופטיות, המוצבות ישירות על photodetector, יכול גם לחסום את האור מחוץ לפס, שיפור יחס אות-ל-אין.עם זאת, מסננים מוסיפים עלות ולהפחית את הכוח האופטי המתקבל עבור אורכי הגל הרצוי.פתרונות מתעוררים כוללים סינון דיגיטלי הסתגלות לאחר המרה אנלוגית-ל-למדתית, שבו המקלט לומד דפוס רעש הסביבה ומ subtras אותו בדומיינים הדיגיטליים.

מהירות ו-Bandwidth Optimization

רוחב הפס של המקלט הוא גורם מפתח בהשגת שיעורי נתונים גבוהים.הציפוי של photodetector של capacititinsic capacitance, יחד עם הקלט של TIA, יוצר רוחב פס מוגבל של RC. Advances in Semiconductor טכנולוגיה - כגון שימוש ב- indium Gallium arenide (InGaAs) במקום סיליקון, או שילוב של גלאי עם CMOS על גבי שטח C2ASTS על גבי שבב מתקדם עם DR-R.

ריבוי ספארי - באמצעות משדרים מרובים ומקבלים ב- MIMO (מבוגר-input, תצורה של מספר- ⁇ ) - יכול להכפיל את שיעור הנתונים המצטבר מבלי לדרוש רוחב פס גבוה יותר להשגה. במערכות כאלה, כל מקלט אופטי חייב להיות שדה צר של ראייה (FOV) כדי להפריד את האותות מ משדרים שונים, ואת מערך המקלט חייב להיות מתואם בזהירות.

טכנולוגיות מתפתחות ושיפורים

Avalanche Photodiodes ו SPAD Arrays

APDs לספק רווח פנימי (הכפלה פוטו-זמנית) המאפשר להם לזהות אותות חלשים - חיוני להגדלת מרחק הקישור או הפעלה בתנאים של אור-מבינטי.עם זאת, APDs קונבנציונליים סובלים מרעש עודף בשל האופי הסטוצ'י של תהליך הנבלאני.עבודה חדשה התמקדה ב"reach-באמצעות" APD ובאמצעות חומרים כמו גרמניה-on-ilicon (G-S-i) כדי להשיג גורמים נוספים.

רקדות חדות (SPADs) מייצגות התקדמות רדיקלית עוד יותר: הם יכולים לזהות photons בודדים, נותן להם רגישות עצומה. SPADs לפעול במצב גייגר, שבו תמונה אחת גורמת דופק מאקרוסקופי הנוכחי. כאשר מסודרים במערךים (מערךי מחקר SPAD), הם יכולים לשמש עבור זמן של עומק טיסה או ב Li-Fi, עבור אותות אופטיים מתחת ל- 50 מטרים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מטווח פתוח, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של חומרים מטווחים, 000, 000, 000 תאורה אחוריים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000

אתגר אחד עם SPADs הוא זמן מת לאחר כל גילוי פוטון (בדרך כלל כמה עשרות ננו-שניות), אשר מגביל את שיעור ספירה המקסימלי.עם זאת, באמצעות אלמנטים SPAD רבים במקביל ושילוב של זמן-מחוק זיהוי, החוקרים השיגו שיעורי multi-gigabit. A 2022 מאוניברסיטת אוקספורד דיווחו על 3 Gbps Li-Fi באמצעות קישור 256 עם מערך מוסמך עם מסגרת אישית.

CMOS מקבל

מעבר לאינטגרציה מונוליטית, חוקרים רבים מעצבים מקלטים אופטיים לחלוטין בתהליכי CMOS סטנדרטיים.גישה זו מאפשרת photode photodiode סיליקון מיושמת ב CMOS substrate, TIA, העיבוד הדיגיטלי, ואת ממשק אלקטרוניקה כדי להתגורר שבב יחיד.היתרונות כוללים עלויות מופחתות, צריכת חשמל נמוכה יותר, וגורמים קטנים יותר - כל חיוני עבור מכשירים צרכניים כמו טבליות, חיישנים, חיישנים, IoT.

מקלטים מבוססי CMOS בדרך כלל משתמשים בארכיטקטורה "מגוון עצום": מריצה של תמונות קטנות שלכל אחד יש FOV צר, בשילוב עם עיבוד אות דיגיטלי על שבב כדי לשחזר את דפוס האור של האירוע.עיצוב זה גם עוזר להפחית את ההשפעות של צללים ו misalignment. כמה חברות, כולל PureLiFi ו VLNComm, עכשיו משולבים-Fi Lifistraa מודולים כי משלבים מעבדים CMa.

קבלה - Side MIMO ו-Uang

כדי להגביר את התפוקה ללא צורך רכיבים אולטרה מהירים לערוצים, מערכות Li-Fi מאמצות טכניקות MIMO. בהגדרת הדמיה MIMO, המקלט הוא מערך דמוי מצלמה של photodiodes, כל אחת מהן תופסת אזור מרחבי אחר.על ידי שיש יותר אלמנטים מקלט מאשר אלמנטים משדרים, המערכת יכולה לפתור הפרעות ולשפר את האמינות.

מקלטי המגוון של זווית - שבו photodetectors מוכוונים בזווית הטיה שונה - יכול גם לשפר את הכיסוי.לדוגמה, מקלט עם חמישה photodiodes מצביעות בכיוונים שונים יכול לשמור על קשר גם אם המשתמש נע או מטה את המכשיר. עיצובים כאלה הם קריטיים עבור יישומים ניידים Li-Fi, כגון ברכבות או ברכבים אוטונומיים.

יישומים אמיתיים של מקבלי אופטיים מתקדמים

רשת High-Speed Networking

היישום הפשוט ביותר של Li-Fi הוא לתקשורת אלחוטית פנימית, המציע אלטרנטיבה או להשלים ל-Wi-Fi. עם מקלטים אופטיים המסוגלים 1-10 Gbps, Li-Fi יכול לספק שיעורי נתונים מהירים במשרדים, בתי חולים, ומפעלים.בסביבות שבהן התערבות רדיו- ⁇ היא בעייתית - כגון סוויטות MRI, תאות מטוסים, או צמחי פטרוכימיים - Li-Fi הוא אטרקטיבי במיוחד משום שהוא יכול להכיל חדר.

מקלטי CMOS משולבים מאפשרים נקודות גישה מוכוונת התקרה ו מקלט USB בגודל gle עבור מחשבים ניידים.לדוגמה, מודול XC Li-Fi טהור משתמש מערך פוטודקטור קנייני CMOS עם רוחב פס מעל 1 GHz והוא מוסמך לשימוש מסחרי. בדומה, Signify (לשעבר פיליפ תאורה) הציגה Li-Fiaires המשלבת את מערך photodetector ה-CMOS עם רוחב פס מעל 1 GHz והוא מוסמך תקשורת.

תקשורת תת-קרקעית

גלי רדיו נספגים מאוד במים, מה שהופך את התקשורת התת-ימית של רדיו- ⁇ . Li-Fi פועל בחלק גלוי וכחול-ירוק של הספקטרום, אשר חודר מים עם אטמורציה נמוכה יחסית. מקלטים אופטיים המיועדים ל-Li-Fi תת-ימיים חייבים להיות רגישים לאורכי גל כחולים (כ-470 ננומטר) ולעיתים קרובות להשתמש בתצלומים גדולים עם hesimiicalculesphericiald כדי לאסוף עדשות אור: ALTF: ALTF: ALTi-A: ALTF: ALTF: ALTF).

ניסויים אחרונים השיגו שיעורי נתונים של 500 Mbps על פני כמה מטרים במים צלולים, באמצעות מקלטי APD עם מסננים כחולים. עבור מים עמוקים או סוערים, מקלטי SPAD עם מעגלים מקיפים פעילים עדיין יכולים לזהות אותות ברמה של תמונה אחת, המאפשר קישורים עד 100 מטרים במים האוקיינוסים ברורים.

תקשורת לרכב (V2X)

Li-Fi באמצעות הפנסים או זרמי רחוב כמו משדרים יכול לתמוך תקשורת vehicular להימנעות התנגשות, ניהול תנועה, ו-platooning. מקלטים אופטיים בתרחיש זה חייב להתמודד עם תנועה מהירה גבוהה, אור שמש חזק, ומרחקים משתנים.קבל עיצובים עבור רכב Li-Fi לעתים קרובות להשתמש במערך של photodiodes כל אחד עם מ- FOV (לבודד את האות מראש ספציפי) ו- C כדי להתאים תנאים מהירים כדי לשנות במהירות כדי לשנות את המצב המהיר.

מחקר מאוניברסיטת סטריתקלייד הראה 100 Mbps רכב אל- infrastruct Structure Li-Fi קישור במגוון של 50 מטרים באמצעות מערך תקשורת אלחוטי 4×4 APD ו-DM Modulation.מקור: FLT:0Optics Express - הפגנה ניסיונית של 100 Mbps V2X מערכת תקשורת אופטית אופטית FLT:1.

בריאות וסביבה רגישה

בתי חולים ומעבדות מגבילים לעתים קרובות את השימוש ב-Wi-Fi בשל התערבות אלקטרומגנטית עם ציוד רגיש. Li-Fi, להיות מבוסס אור, לא לייצר פליטות RF, מה שהופך אותו אידיאלי עבור הגדרות כאלה. מקלטים אופטיים במכשירים רפואיים Li-Fi חייב להיות קטן, נמוך כוח, ומסוגל לפעול אמין תחת תאורה כירורגית מבריקה. CMOS עם sensials יכול לדחות מרכיב חזק ממתורג ', או מעקב אחר נתונים מתמשכים עבור ניתוחים פלסטיים.

אתגרים ו-Outlook עתידיים

אור ואומץ

למרות סינון ו- AGC, אור השמש החזק עדיין יכול עדיין ליישב אפילו מקלטים מתקדמים. באור השמש החיצוני הישיר, photocurrent מתצלום סיליקון יכול להיות עשרות מ"מאמפים, מכריע את הטווח הדינמי של TIA. Solutions תחת חקירה כוללים שימוש אולטרה סגול (UV) או ליד אורכי גל מרוחקים שבהם השמש חלשה יותר, שילוב של אלקטרו-אופטיקה או סגרים שיכולים להתמודד עם קלטות גדולות שיכולות בהווה.

הצל והבלוק

Li-Fi דורש קו ישיר של ראייה (LOS) או ליד-LOS בין משדר ו המקלט.אם המקלט מכוסה על ידי יד, ספר, או אפילו נייר, הקישור יכול להיות אבוד. המקלט אופטי עם מגוון זוויתי (multiple photodiodes מצביע על כיוונים שונים) יכול לשמור על קשר אם המכשיר מסתובב, אבל הם לא יכולים להתמודד עם מערכת הפעלה מלאה של 2.2 ליטרים (LF) אשר חסומה באופן אוטומטי על ידי מערכת תקשורת סטנדרטית תקן סטנדרטית של 2.

צריכת חשמל וחום

מקלטים אופטיים מהירים, במיוחד אלה המשתמשים ב- APDs תחת נטייה גבוהה, יכולים לצרוך כוח משמעותי.במכשירים ניידים מופעלים סוללות, כל מילימטרים ואט נושאים. עיצובי מקלט עתידיים הם חקרו APDs (החלים מתחת 10 V), SPAeds עם micro-cells כי לצרוך כוח רק כאשר מזהים תמונה, ועיגולים CMOS sub-reshold כי כמה מהירות אנרגיה נמוכה ל- G2 הוא להשיג חשמל מ- 50 מ"מקלט כיום.

סטנדרט וצמיחה אקולוגית

עבור Li-Fi להיות הזרם המרכזי, מערכת אקולוגית חזקה של מקלטים אופטיים בין-ספור, משדרים וערימות פרוטוקול הוא הכרחי. תקן IEEE 802.11bb מגדיר את המפרטים הפיזיים של Li-Fi, כולל תוכניות מודולציה, להקות תדירות, דרישות רגישות מקלט.זה מפרט שימוש ב- OOK ו-DM עם רוחב פסים עד 320 M, ודורש מקלטים למינימום של רגישות ל-D (D) עם הפחתה (D).

חברות כגון PureLiFi, Oledcomm, ו Signify כבר משלוח מוצרים לציית לסטנדרט הטיוטה. as more אלקטרוניקה לצרכנים לשלב Li-Fi Transceivers - החל ממחשבים וטאבלטים, ולאחר מכן לעבור לסמארטפונים - הביקוש לביצועים גבוהים, מקלטים אופטיים זולים יעלו. בטווח הארוך, ליפי מקלט יכול להיות מוטבע בבירות של תצוגות, מתחת לפיקסלים או לתצוגה מיקרו-LED.

אינטגרציה עם 5G/6G ו- Visible Light Communications Beyond

Li-Fi אינו תחליף לרשתות Wi-Fi או הסלולר אלא טכנולוגיה משלימה שיכולה לזרז את התנועה בסביבות צפופות ולספק קישוריות שבה RF הוא בלתי רצוי.ברשתות 5G/6G, מקלטים אופטיים יכולים לשמש "צד אור" של רשת heterogeneous, עם מנגנונים של קו רוחב מתואמת על ידי רשת הליבה.

בהמשך לעתיד, מקלטים אופטיים ל- Li-Fi עשויים להתפתח כדי לזהות לא רק אינטנסיביות אלא גם את זווית ההגעה, המאפשר תקשורת דו-פעמפלקס מלאה ואפילו למקם. עם התקדמות במטא-חומרים וננופוטניקה, ניתן לבצע מקלטים שטוחים, ללא עדשות, ומסוגלים להפריד אור על ידי אורך גל או רגע, ובכך להתקרב ליכולת התיאורטית של תקשורת בהירה.

לסיכום, מקלטים אופטיים הם המנוף של טכנולוגיית Li-Fi.מתמונות פשוטות PIN ועד לערכים מורכבים SPAD, הביצועים שלהם קובע את המהירות, הטווח והאמינות של קישורים אלחוטיים המבוססים על אור.כפי שעיצובים מתעוררים דוחפים את גבולות הרגישות, רוחב הפס ואינטגרציה, Li-Fi יעברו מיישומים לתכונה סטנדרטית של חיינו הדיגיטליים.