Jak działa transmisja światłem? Poznaj technologię Li-Fi

Transmisja światła to przechodzenie promieniowania elektromagnetycznego przez ośrodek. W optyce określa się ją między innymi za pomocą transmitancji, a w technologii Li-Fi światło staje się nośnikiem informacji. Nie chodzi już o samo przejście przez materiał, lecz o bardzo szybkie zmiany jego natężenia, które odbiornik odczytuje jako dane.

Czym jest transmisja światła?

Gdy wiązka światła pada na materiał, część promieniowania może przejść przez jego strukturę. To właśnie transmisja fizyczna, nazywana też transmisją optyczną. Jej wielkość zależy między innymi od rodzaju materiału, jego grubości, stanu powierzchni oraz długości fali.

Ilościowo zjawisko opisuje transmitancja T. Jest to stosunek natężenia światła przepuszczonego przez materiał do natężenia światła padającego:

T = I / I₀

Wartość T może wynosić od 0 do 1, czyli od 0% do 100%. Transmitancja równa 0,8 oznacza, że przez próbkę przechodzi 80% mierzonego natężenia światła. Nie należy mylić jej z absorbancją. Absorbancja opisuje logarytmiczną miarę tłumienia i jest powiązana z transmitancją wzorem A = −log₁₀(T).

Co dzieje się ze światłem po napotkaniu materiału?

Światło nie musi zostać wyłącznie przepuszczone albo zatrzymane. Po kontakcie z powierzchnią kilka zjawisk może zachodzić jednocześnie. W uproszczonym bilansie energetycznym zapisuje się to tak:

1 = τ + ρ + α

Symbol τ oznacza transmitancję, ρ – reflektancję, czyli część odbitą, a α – absorptancję, czyli część pochłoniętą przez materiał. Rozpraszanie nie jest osobnym składnikiem tego bilansu, lecz opisuje zmianę kierunku rozchodzenia się światła, zarówno przy odbiciu, jak i przy przejściu przez niejednorodny ośrodek.

Proces można przedstawić w kilku kolejnych etapach:

1. Światło pada na powierzchnię materiału.
2. Część promieniowania odbija się od powierzchni.
3. Część energii zostaje pochłonięta, na przykład zamieniona na ciepło.

Na tej podstawie materiały można podzielić według tego, jak przepuszczają światło:

Na transmisję wpływają przede wszystkim:

• Rodzaj i struktura materiału – niejednorodności zwiększają rozpraszanie.
• Grubość próbki – dłuższa droga optyczna zwykle oznacza większe pochłanianie.
• Długość fali – materiał może przepuszczać światło widzialne, a ograniczać ultrafiolet lub podczerwień.
• Stan powierzchni – kurz, zarysowania i chropowatość zwiększają odbicie oraz rozproszenie.

Transmitancję dla konkretnej długości fali mierzy się między innymi za pomocą spektrofotometru. Takie urządzenie porównuje natężenie światła przed próbką i po przejściu przez nią. W przypadku materiałów silnie rozpraszających wykorzystuje się także sfery całkujące, które rejestrują światło bezpośrednie i rozproszone.

Jak fizyka transmisji łączy się z przesyłem danych?

W odniesieniu do Li-Fi słowo „transmisja” ma inne, aktywne znaczenie. Nie opisuje wyłącznie tego, ile światła przechodzi przez szybę lub tworzywo. Oznacza przesył informacji za pomocą fali świetlnej, która pełni funkcję nośnika sygnału.

Li-Fi wykorzystuje źródło światła, najczęściej diody LED, oraz odbiornik wyposażony w fotodetektor. Nadajnik zmienia natężenie światła zgodnie z przesyłanym sygnałem. Dla ludzkiego oka te zmiany są zbyt szybkie, aby były widoczne jako migotanie, ale fotodetektor może je zarejestrować i przekształcić w dane elektryczne.

Dlatego Li-Fi nie jest po prostu „przepuszczaniem internetu przez szkło”. Najważniejsze jest to, czy zmodyfikowany sygnał świetlny dociera do odbiornika. Przeszkoda może osłabić lub całkowicie przerwać połączenie, lecz jej transmitancja nie jest tym samym co przepustowość kanału danych.

Jak Li-Fi koduje dane za pomocą światła?

Mechanizmem przesyłu jest modulacja, czyli celowa zmiana właściwości fali nośnej. W podstawowym ujęciu nadajnik koduje dane binarne przez szybkie zmiany natężenia światła. Odbiornik analizuje te zmiany i odtwarza ciąg zer oraz jedynek.

W działaniu Li-Fi uczestniczą następujące elementy:

• Źródło światła – emituje promieniowanie i jednocześnie pełni funkcję nadajnika.
• Modulacja – zmienia natężenie światła zgodnie z przesyłanym sygnałem.
• Kodowanie binarne – przedstawia dane jako sekwencję stanów odpowiadających zerom i jedynkom.
• Fotodetektor – odbiera zmiany natężenia i zamienia je na sygnał możliwy do dalszego przetworzenia.

Różnicę między oboma znaczeniami słowa „transmisja” można ująć krótko:

• Transmisja optyczna jest pasywną właściwością materiału i określa, jaka część światła przez niego przechodzi.
• Li-Fi jest aktywnym systemem komunikacji, w którym nadajnik celowo moduluje światło, aby przesłać informację.

Transmisja światła w optyce dotyczy przechodzenia promieniowania przez ośrodek, natomiast transmisja w Li-Fi dotyczy wykorzystania światła do przenoszenia danych. W obu przypadkach światło potrzebuje drogi do odbiornika, lecz tylko w drugim przypadku jego natężenie jest celowo zmieniane jako część komunikatu.