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

В журнале издательской группы "Оптика" Буквы оптики Сюй и его коллеги сообщают о лабораторных экспериментах, в которых они использовали массив коммерчески доступных солнечных элементов для создания оптимизированной системы без линз для высокоскоростного оптического обнаружения под водой. Солнечные элементы обеспечивают гораздо большую область 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 оптической системы связи на основе кремниевых солнечных панелей с большой зоной обнаружения", - сказал Сюй. "Этот тип системы мог бы даже обеспечить обмен данными и выработку электроэнергии с помощью одного устройства".

Оптимизация солнечных элементов для связи

По сравнению с использованием радио или акустических волн, подводная беспроводная связь на основе света обладает более высокой скоростью, меньшей задержкой и требует меньше энергии. Однако большинство высокоскоростных оптических систем на большие расстояния непрактичны для подводного применения, поскольку они требуют строгого согласования между передатчиком, излучающим свет, и приемником, который обнаруживает входящий световой сигнал.

Поскольку солнечные элементы улавливают свет с большой площади и преобразуют его в электрический сигнал, использование их в качестве детекторов может облегчить требования к выравниванию передатчика и приемника в подводной системе беспроводной связи. Однако было трудно достичь высокой пропускной способности, поскольку солнечные элементы оптимизированы для сбора энергии, а не для связи.

"До сих пор для достижения высокоскоростных соединений с использованием готовых кремниевых солнечных элементов требовались сложные схемы модуляции и алгоритмы, которые требуют интенсивных вычислительных ресурсов, которые потребляют дополнительную мощность и создают высокую задержку обработки", - сказал Сюй. "Используя моделирование подключенных солнечных элементов, мы оптимизировали периферийную схему, что значительно улучшило производительность нашего детектора на основе солнечных элементов".

Подводные испытания

Исследователи протестировали новую конструкцию, в которой использовалась солнечная батарея размером 3 × 3 для создания зоны обнаружения размером 3,4 × 3,4 сантиметра, в 7-метровом резервуаре для воды, имитирующем подводный канал. Зеркала использовались для увеличения длины пути оптического сигнала, создавая дальность передачи в 35 метров. Система продемонстрировала надежную стабильность, низкое энергопотребление и высокую производительность. По мере увеличения размера солнечной батареи с 1×1 до 3×3 полоса пропускания 20 дБ увеличивается с 4,4 МГц до 24,2 МГц.

Несмотря на то, что использовалась простая схема модуляции, новая система продемонстрировала гораздо более высокую полосу пропускания обнаружения, что приводит к более высокой скорости передачи данных, чем сообщалось в других исследованиях с использованием коммерческих кремниевых солнечных элементов с большой площадью обнаружения в качестве детекторов. Применение напряжения обратного смещения 90 В еще больше увеличило полосу пропускания, позволив им достичь полосы пропускания 63,4 МГц на 20 дБ. Эта полоса пропускания обеспечивала подводную беспроводную оптическую связь со скоростью 35 м/150 Мбит/с, использующую простейшую форму амплитудно-сдвиговой модуляции.

"Поскольку солнечные элементы производятся массово, предлагаемая схема довольно экономична", - сказал Сюй. "Помимо подводного мира, этот тип детектора также может быть использован в связи с видимым светом, типе беспроводной связи, который использует видимый свет от светодиодов и других источников для передачи данных на расстояния".

Чтобы оптимизировать систему для реальных применений в подводной связи, исследователи планируют в следующий раз изучить ее производительность при слабых оптических сигналах. Это покажет, насколько хорошо он работает в мутной воде и при движении. Они также работают над тем, чтобы сделать систему более практичной, точно настраивая ключевые параметры, такие как количество солнечных элементов в матрице и требуемое напряжение обратного смещения.