沙特科學(xué)家智能玻璃系統(tǒng)，用陽(yáng)光代替 WiFi 信號(hào)連網(wǎng)

用陽(yáng)光代替 wifi 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)，這可能么？

有人做到了。

沙特阿拉伯的研究者設(shè)計(jì)了一種智能玻璃系統(tǒng)。

它能把窗子當(dāng)成了調(diào)制解調(diào)器（也就是家里上網(wǎng)用的“貓”），通過(guò)改變陽(yáng)光性質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

手機(jī)攝像頭接收光信號(hào)后，再將其轉(zhuǎn)換回二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

只需功率為 1 瓦的太陽(yáng)能電池，就能讓其運(yùn)行。

目前，該研究已發(fā)表在《IEEE 光子學(xué)雜志》（IEEE Photonics Journal）上。

究竟如何做到的？往下看。

你，相信光么？

在以往，前人一般是改變光的強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行編碼。

但光在空氣傳播中，其強(qiáng)度會(huì)受氣壓等環(huán)境影響而不斷變化，傳輸效率太低，且人眼對(duì)光強(qiáng)劇烈變化十分敏感。

這回，這些研究者轉(zhuǎn)而使用光的偏振原理。

中學(xué)就有學(xué)到，光作為一種橫波，如果讓其通過(guò)特定介質(zhì)（偏振片），將只保留特定方向的部分光波。

通過(guò)上述原理，研究者設(shè)計(jì)出一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)改變光波偏振狀況，將信息搭載到陽(yáng)光中，且人眼不易察覺(jué)變化。

具體改變需要通過(guò)液晶材料實(shí)現(xiàn)。在不同電壓下，此類材料分子排列將發(fā)生改變，繼而左右該介質(zhì)光的偏振情況。

但這仍不夠。

為提升編碼效率，研究者還參考液晶快門(mén)的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，并考慮透光介質(zhì)雙折射等問(wèn)題，將兩個(gè)反向的液晶 (LC) 單元堆疊在一起。

最終，整個(gè)調(diào)制系統(tǒng)包含 3 個(gè)偏振片，2 個(gè)反向液晶層（一個(gè)常白、一個(gè)常黑）——

研究者將其稱為雙單元液晶快門(mén) (DLS)。

此種設(shè)計(jì)的好處在于：

比起單層液晶偏振系統(tǒng)，它能夠更快改變光波偏振，降低編碼錯(cuò)誤，同時(shí)，對(duì)于光在傳播中強(qiáng)度隨機(jī)起伏的「閃爍效應(yīng)」也能減小影響。

從下圖能看出，紅線為常白模式對(duì)信號(hào) 1 的輸出，藍(lán)線為常黑模式，當(dāng)兩者堆疊后，信號(hào)「1」的脈沖（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(diào)制單元，研究者為替代 wifi 設(shè)計(jì)了一整套信息傳輸系統(tǒng)：

先讓陽(yáng)光照射過(guò)智能玻璃窗，窗子本身就是調(diào)制器，通過(guò) DLS 改變光波偏振情況，對(duì)其進(jìn)行調(diào)制編碼。

搭載信息后的光波繼續(xù)進(jìn)入室內(nèi)，再被手機(jī)等終端攝像頭接收到，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)變回成二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步提升傳輸速率，研究者還使用了時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDM）。

該技術(shù)簡(jiǎn)單說(shuō)，就是在一個(gè)信道內(nèi)將傳輸時(shí)間進(jìn)行切割，按一定次序給不同設(shè)備分配傳輸接受時(shí)間，輪到某個(gè)設(shè)備時(shí)，該設(shè)備就開(kāi)啟傳輸，同時(shí)其他設(shè)備傳輸將被切斷。

最后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)建模，觀察了自己搭建系統(tǒng)的傳輸表現(xiàn)。

目前較主流的對(duì)光調(diào)制并直接傳輸通信方式會(huì)采用半導(dǎo)體光放大器（SoA），研究者選取了兩種調(diào)制模式進(jìn)行對(duì)比：調(diào)制面積 66 平方厘米的 RetroTurbo，以及調(diào)制面積 14 平方厘米 PassiveVLC。

結(jié)果顯示，同等調(diào)制面積與同等傳輸距離下，他們的系統(tǒng)均優(yōu)于目前最先進(jìn)的方式，最高傳輸速率可達(dá) 16Kbps。

能耗方面，僅需 1W 的太陽(yáng)能電池板，就能驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

盡管目前傳輸信息速率有限，但團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該成果預(yù)示著陽(yáng)光不僅僅是一種能量資源，更是一種信息資源，這將有助于我們以更低能耗進(jìn)行信息傳輸。

關(guān)于后續(xù)研究規(guī)劃，團(tuán)隊(duì)表示：

他們下一步希望能將傳輸速率提升到每秒兆比特，甚至千兆比特，為此將申請(qǐng)訂購(gòu)相關(guān)測(cè)試硬件。

團(tuán)隊(duì)介紹

最后了解下研究團(tuán)隊(duì)成員。

一作 Sahar Ammar 來(lái)自阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué) (KAUST)，電氣和數(shù)學(xué)科學(xué)與工程 (CEMSE) 部門(mén)，主要研究方向?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/光通信">光通信；

二作 Osama Amin，同樣來(lái)自阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的電氣和數(shù)學(xué)科學(xué)與工程 (CEMSE) 部門(mén)；

指導(dǎo)老師 Basem Shihada，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線、有線通信，也涉足網(wǎng)絡(luò)安全與云計(jì)算。