光無線通信

光無線通信( OWC ) は、誘導されない可視光、赤外線(IR)、または紫外線(UV) 光を使用して信号を伝送する光通信の一種です。通常、短距離通信に使用されます。

可視帯域（390～750 nm）で動作するOWCシステムは、一般に可視光通信（VLC）と呼ばれています。VLCシステムは、照明出力や人間の目に顕著な影響を与えることなく、非常に高速でパルス化できる発光ダイオード（LED）を活用しています。VLCは、無線ローカルエリアネットワーク、無線パーソナルエリアネットワーク、車両ネットワークなど、幅広いアプリケーションで使用できます。^[1]一方、自由空間光（FSO）システムとしても知られる地上ポイントツーポイントOWCシステム^{[2]は、近赤外周波数（750～1600 nm）で動作します。これらのシステムは通常、レーザー送信機を使用し、高}データレート（波長あたり10  Gbit/s）の費用対効果の高いプロトコル透過的なリンクを提供し、バックホールのボトルネックに対する潜在的なソリューションを提供します。

また、太陽光の影響を受けない紫外線スペクトル (200～280 nm)内で動作する固体光源/検出器の最近の進歩により、紫外線通信 (UVC) への関心も高まっています。このいわゆる深紫外線帯域では、地上レベルでの太陽放射はごくわずかであるため、背景ノイズをほとんど追加せずに受信エネルギーを増大させる広視野角の受信機を備えた光子計数検出器の設計が可能になります。このような設計は、ワイヤレス センサーやアドホック ネットワークなどの低電力短距離 UVC をサポートする屋外の非視線構成に特に役立ちます。

無線通信技術は、20 世紀後半から 21 世紀初頭にかけて急速に普及し、不可欠なものとなりました。無線周波数技術の大規模な導入は、無線デバイスおよびシステムの拡大の重要な要因でした。しかし、無線システムで使用される電磁スペクトルの容量は限られており、スペクトルの一部を使用するライセンスは高価です。データ量の多い無線通信の増加に伴い、RF スペクトルの需要が供給を上回っており、企業は無線周波数以外の電磁スペクトルの一部を使用するオプションを検討しています。

光無線通信（OWC）は、可視光線、赤外線（IR）、紫外線（UV）などの光キャリアを使用した、誘導されない伝播媒体での伝送を指します。ビーコンの火、煙、船の旗、腕木式電信による信号は、OWCの歴史的な形式と考えることができます。^[3]太陽光も、非常に古い時代から長距離信号に使用されてきました。 通信目的での太陽光の最も古い使用は、戦闘中に太陽光を反射して信号を送るために磨かれた盾を使用した古代ギリシャ人とローマ人に起因します。^[4] 1810年、カール・フリードリヒ・ガウスは、一対の鏡を使用して制御された太陽光線を遠方のステーションに向けるヘリオグラフを発明しました。 最初のヘリオグラフは測地調査用に設計されましたが、19世紀後半から20世紀初頭にかけては軍事目的で広く使用されました。 1880年、アレクサンダー・グラハム・ベルは世界初の無線電話システムで あるフォトフォンを発明しました。

軍によるフォトフォンへの関心はベルの時代以降も続いた。例えば、1935年にドイツ軍は、IR送信フィルター付きのタングステンフィラメントランプを光源として使用したフォトフォンを開発した。また、アメリカとドイツの軍事研究所は、1950年代まで光通信用の高圧アークランプの開発を続けた。^{[5]現代のOWCは、}レーザーまたは発光ダイオード（LED）を送信機として使用する。1962年、MITリンカーン研究所は、発光GaAsダイオードを使用して実験的なOWCリンクを構築し、30マイルの距離でテレビ信号を送信できた。レーザーの発明後、OWCはレーザーの主な展開領域になると想定され、さまざまなタイプのレーザーと変調方式を使用して多くの試験が行われた。^[6]しかし、レーザービームの発散が大きく、大気の影響に対処できないため、結果は概して期待外れだった。 1970 年代に低損失光ファイバーが開発され、長距離光伝送の当然の選択肢となり、焦点は OWC システムから移りました。

数十年にわたり、OWCへの関心は主に秘密軍事用途^[7]と、衛星間リンクや深宇宙リンクを含む宇宙用途に限られていました。^[8] OWCの一般市場への浸透は、非常に成功した無線短距離伝送ソリューションであるIrDAを除いて、これまでのところ限られています。 ^{[更新が必要ですか? ]}

OWC のさまざまなバリエーションは、集積回路内の光相互接続から屋外の建物間リンク、衛星通信に至るまで、さまざまな通信アプリケーションに潜在的に採用できます。

OWC は、伝送範囲に基づいて 5 つのカテゴリに分類されます。

1. 超短距離：積み重ねられ、密集したマルチチップパッケージにおけるチップ間通信。^[9]
2. 短距離： IEEE 802.15.7規格に基づく無線ボディエリアネットワーク（WBAN）および無線パーソナルエリアネットワーク（WPAN）アプリケーション、水中通信。^{[10] [11]}
3. 中距離:無線ローカル エリア ネットワーク(WLAN) および車両間通信と車両対インフラストラクチャ通信用の屋内 IR および可視光通信(VLC) 。
4. 長距離: 建物間接続。自由空間光通信(FSO) とも呼ばれます。
5. 超長距離：特に衛星間リンクや衛星群の確立のための宇宙でのレーザー通信。

• 2015年1月、IEEE 802.15は、可視光に加えて赤外線と近紫外線の波長に対応し、光学カメラ通信やLiFiなどのオプションを追加したIEEE 802.15.7-2011の改訂版を作成するためのタスクグループを結成しました。^[12]
• 長距離 OWC アプリケーションでは、地上と航空機間の 1 Gbit/s - 60 km の範囲リンクが時速 800 km で実証されています (「ViaLight レーザー通信端末 MLT-20 の極限テスト - 時速 800 km のジェット機からの光ダウンリンク」、DLR および EADS、2013 年 12 月)。
• 消費者向けデバイスと携帯電話の短距離 OWC アプリケーションについて: スマートフォンで光による充電とデータ受信: TCL Communication/ALCATEL ONETOUCH と Sunpartner Technologies が、初の完全統合型ソーラー スマートフォンを発表。2014 年 3 月。
• 超長距離 OWC アプリケーションでは、NASA の月面レーザー通信デモンストレーション (LLCD) が 2013 年 11 月に月軌道から地球へ 622 メガビット/秒 (Mbps) の速度でデータを送信しました。
• 次世代のOWC/可視光通信では、ポリマー発光ダイオード（OLED）を使用して10Mbit/sの伝送を実証しました。^[13]
• OWC 研究活動については、欧州科学財団が資金提供している COST プログラム (欧州科学技術協力) の欧州研究プロジェクト アクション IC1101 OPTICWISE があり、これにより、欧州レベルでの国家資金による研究の調整が可能になります。このアクションは、学際的な光無線通信 (OWC) 研究活動のための注目度の高い統合欧州科学プラットフォームとして機能することを目指しています。このアクションは 2011 年 11 月に開始され、2015 年 11 月まで実行されます。20 か国以上が参加しています。
• 消費者と業界の OWC テクノロジーの採用は、2011 年に設立された Li-Fi コンソーシアムによって代表され、光ワイヤレス テクノロジーの導入に専念する非営利団体です。Light Fidelity (Li-Fi) 製品の採用を促進しています。
• OWC に関するアジアの認識の一例としては、市場調査、プロモーション、標準化の活動を通じて、可視光を使用した安全でユビキタスな通信システムを実現するために 2007 年に設立された日本の VLCC 可視光通信コンソーシアムが挙げられます。
• 米国にはいくつかのOWCイニシアチブがあり、その中には2008年に国立科学財団（NSF）によって設立された「スマート照明工学研究センター」があり、レンセラー工科大学（主導機関）、ボストン大学、ニューメキシコ大学のパートナーシップです。アウトリーチパートナーはハワード大学、モーガン州立大学、ローズハルマン工科大学です。^[14]
• 2023年7月、IEEEは802.11bbをリリースし、800～1000nm帯域の見通し内光ネットワークの標準を作成しました。

• Daukantas, Patricia (2014 年 3 月). 「光無線通信: 新たなホットスポット」(PDF) . Optics and Photonics News . 25 (3): 34–41. Bibcode :2014OptPN..25...34D. doi :10.1364/OPN.25.3.000034.
• Arnon, Shlomi; et al., eds. (2012). Advanced Optical Wireless Communication Systems (第 1 版). Cambridge: Cambridge University Press. doi :10.1017/CBO9780511979187. ISBN 9780511979187。
• Ghassemlooy, Z.; Popoola, W.; Rajbhandari, S. (2012). 光無線通信: MATLAB によるシステムおよびチャネルモデリング (第 1 版). フロリダ州ボカラトン: CRC Press, Inc. ISBN 9781439851883。