La comunicación por luz visible (Visible Light Communication, VLC) es considerada como una importante tecnología auxiliar de comunicación inalámbrica que permitirá el desarrollo de la próxima generación de redes de comunicación, como el 6G, así como el desarrollo de aplicaciones que requieren de altas velocidades de transmisión, como el metaverso.
Durante los últimos años la iluminación LED se ha establecido como la tecnología incumbente en la mayoría de aplicaciones de iluminación, extendiéndose de forma masiva en el mercado debido a sus ventajas. Una cuestión a tener en cuenta, es que la banda de luz visible en el rango espectral entre los 380 y 780 nm no está sujeta a licencias como las radiofrecuencias y puede utilizarse sin autorización. De ahí que la tecnología de comunicación por luz visible basada en LED haya traído una enorme atracción de la investigación en todo el mundo, y que la tecnología VLC se haya desarrollado rápidamente en la última década.
Sin embargo, pese a este enorme interés, la tecnología presenta todavía importantes retos que debe superar, como por ejemplo la limitación del ancho de banda de modulación de los LED convencionales. Es por ello que recientemente, la investigación se está centrando cada vez más en la aplicación de micro-LEDS (μLEDs) con una área activa inferior a 100 μm para la comunicación por luz visible. En comparación con los LED convencionales, los μLED tienen un mayor ancho de banda de modulación debido a su menor tamaño, mayor densidad de corriente de inyección y menor constante de tiempo RC, lo que mejora significativamente la velocidad de transferencia de los sistemas VLC. Además, los μLED pueden emplearse en pantallas, por lo que pueden utilizarse para aplicaciones combinadas de visualización a todo color y comunicación.
En una nueva publicación en la revista científica Opto-Electronic Science, investigadores de la Universidad de Xiamen, junto con colegas del Hon Hai Research Institute de Taiwan, presentan una visión general del uso de μLEDs para las comunicaciones por luz visible. En el mismo, se analizan diferentes métodos para mejorar el ancho de banda de modulación, así como los últimos avances en sistemas VLC de luz blanca basados en μLEDs, para que este tecnología se convierte en un futuro cercano en una parte importante de las tecnologías de comunicación e iluminación de próxima generación.
Sistemas VLC basados en μLEDs
El transmisor en un sistema VLC utiliza un dispositivo emisor de luz visible como un LED para realizar la transmisión de datos. Es por ello, que esta tecnología de comunicación por luz visible permite utilizar la infraestructura actual de iluminación basada en LED para lograr comunicaciones de datos con velocidades en los rangos de los Gbps, sin ningún tipo de interferencia electromagnética
Además de este transmisor, el sistema se compone de un receptor (fotodetector) además de un circuito de procesamiento de señales. Tras recibir la señal óptica y convertirla en una señal de corriente, el fotorreceptor genera una señal de tensión y completa la conversión digital-analógica después de que la señal pase por el circuito de procesamiento de señales. A continuación, la señal eléctrica se amplifica, ecualiza y demodula para extraer datos válidos.
Las características del canal en las comunicaciones por luz visibles son distintas de las del sistema de Radio Frecuencia (RF) tradicional, viéndose afectado principalmente por la fuente de luz, el canal atmosférico en el espacio libre y el fotodetector en el extremo receptor. Por tanto, los anchos de banda de modulación en ambos extremos, transmisor y receptor, afectan conjuntamente al rendimiento global del sistema VLC. Sin embargo, en la mayoría de sistemas VLC, en los que el canal espacial es relativamente estable, los dispositivos del extremo transmisor son los que afectan principalmente al rendimiento de la comunicación debido a que los fotodetectores tienen un ancho de banda de recepción relativamente alto.
Por tanto, la respuesta en frecuencia es uno de los parámetros más importantes que hay que tener en cuenta al desarrollar LED para transmisores de sistemas VLC. Los factores que afectan a las características de modulación de los LED dependen principalmente del tiempo RC y del tiempo de vida de la radiación portadora. La capacitancia de unión afecta al tiempo RC y a la velocidad de respuesta de los dispositivos LED, lo que puede retrasar las señales. El tiempo de vida de emisión espontánea de los portadores afecta directamente al tiempo necesario para que los portadores de la recombinación a fotones escapen del dispositivo.
Ventajas de los μLED como transmisores VLC
Las matrices LED comerciales de gran tamaño basadas en GaN tienen un área de pocos milímetros por lado. Sin embargo, en un área tan grande, la velocidad de respuesta está limitada en última instancia por su constante de tiempo RC. Además, el proceso de recombinación de portadores en los LED basados en GaN se ve afectado por el efecto de localización de portadores y el efecto de confinamiento cuántico (QCSE), que también provoca un aumento del tiempo de vida de los portadores y una reducción de la velocidad de respuesta de la conversión electroóptica.
Es por ello, que una menor área activa se traduce en una menor capacitancia geométrica y, en consecuencia, en una menor constante de tiempo RC, lo que permite que los μLEDs tengan mayores anchos de banda de modulación. Además, los μLED pueden soportar mayores densidades de corriente de inyección, debido a su distribución uniforme de la corriente. Haciendo de estos una tecnología muy útil para la VLC.
Por tanto, debido a la baja capacitancia y al efecto de autocalentamiento, así como a la buena dispersión de la corriente, los μLEDs poseen constantes RC más pequeñas y mayores densidades de corriente de inyección que los LEDs de área amplia convencionales, lo que se traduce en tiempos de vida de la portadora más cortos y mayores anchos de banda de modulación. Gracias a su área ultrapequeña, es posible aumentar la potencia óptica de salida para comunicaciones de larga distancia y alta velocidad ensamblando varios µLED en una matriz.
A pesar de todas estas ventajas, todavía hay que superar muchos obstáculos que la tecnología presenta en esta primera etapa de desarrollo, para conseguir que estos microLEDs sean transmisores ideales para sistemas VLC. Actualmente la investigación se centra en tres aspectos
- Efecto de localización del portador
- Efecto dependiente del tamaño
- Efecto dependiente del tamaño
Sistemas VLC WLED basado en μLED
En el estudio también se hace una evaluación de los desarrollos actuales relacionados con los sistemas de comunicación por luz visible a partir de microLEDs Blancos (WLED), que tienen una mayor perspectiva de aplicación que los LEDs monocromáticas azules o verdes, por sus características de alta velocidad de modulación, alta eficiencia y larga vida útil.
El μLED blanco ideal es una integración monolítica de tres chips μLED separados que contienen emisiones rojas, verdes y azules (RGB). Sin embargo este desarrollo presenta importantes retos.
Mientras que la investigación sobre μLED azules de alta eficiencia es relativamente madura, existen importantes limitaciones en el desarrollo de los μLED verdes, debida a la llamada “brecha verde”. Estos μLED verdes tienen una elevada proporción de indio, que requiere una temperatura relativamente baja para su fabricación, lo que provoca fuertes QCSE y una eficiencia de recombinación radiativa reducida.
Por su parte los μLED rojos, se fabrican principalmente con el sistema de materiales AlGaInP, que da lugar a una larga longitud de difusión del portador y a una mayor recombinación no radiativa. Por lo tanto, la degradación de la eficiencia de los μLED rojos es más grave cuando el tamaño de los dispositivos se reduce a unas pocas micras. Otro problema de la implementación de los μLED RGB es que la tensión de trabajo entre los distintos píxeles es diferente, lo que complica el diseño de los circuitos controladores.
Otra alternativa para el uso de LEDs Blancos en las comunicaciones por luz visibles, es la utilización WLED basados en películas de fósforos. Es el método que actualmente más se utiliza en la industria de la iluminación para conseguir luz blanca, utilizando LED azules y una capa de fósforo amarillo que lo convierte en luz blanca. Sin embargo este método también presenta importantes retos, ya que el ancho de modulación estaría muy limitado por el largo de tiempo de respuesta de los LED y los materiales fluorescentes. Esto dificultaría la relación de comunicaciones VLC de alta velocidad con un ancho de banda para los WLED convencionales de solo unos pocos MHz.
Por lo tanto, la actual investigación se ha centrado en el desarrollo de varios métodos para aumentar la velocidad, incluyendo la adición de circuitos de ecualización o métodos de modulación de orden superior. Para paliar el escaso ancho de banda de modulación de los WLED fabricados con películas de fósforo, los μLED azules pueden integrarse con materiales de conversión del color. Chun et al. consiguieron una transmisión de alta velocidad de 1,68 Gbps utilizando un μLED azul combinado con películas de fósforo. Huang et al. propusieron un sistema de luz blanca basado en matrices de μLED azules con conversión de color de fósforo para lograr un ancho de banda EO de 127,3 MHz.
Otra opción, es el desarrollo de WLEDS basados en conversión cromática de Puntos Cuánticos para VLC.
Los Puntos Cuánticos (Quantum Dots – QDs) son cristales semiconductores a nanoescala que pueden modular la longitud de onda de emisión cambiando su tamaño. En comparación con los fluoróforos tradicionales, los Puntos Cuánticos tienen una amplia gama de espectros de absorción, incluyendo bandas azules y UV. Y lo que es más importante, para las aplicaciones VLC, los Puntos Cuánticos suelen tener tiempos de vida de fluorescencia cortos, del orden de los nanosegundos. Por lo tanto, las capas de conversión de color basadas en Puntos Cuántivos pueden alcanzar anchos de banda de modulación elevados y altas velocidades de transmisión de datos.
Últimamente los Puntos Cuánticos de Haluro Perovskita (PQD) han suscitado un gran interés para los investigadores en el campo de la VLC, al presentar estos una emisión estrecha y una vida de fluorescencia corta. Varias investigaciones han utilizado esta tecnología con resultados muy prometedores. Finalmente, la fabricación de Puntos Cuánticos sin elementos tóxicos se ha convertido también en algo central, ya que estos pueden contener elementos tóxicos, como el plomo y el cadmio, que causan contaminación y pueden limitar su aplicación en esta y otras aplicaciones.
Nuevas aplicaciones de VLC para el 6G
En el estudio también se destacan futuras aplicaciones donde la tecnología microLED aplicada a la comunicación por luz visible podrán ser protagonistas.
Una de ellas es la tecnología VLC submarina. El acceso global extensivo es un aspecto importante en el desarrollo de la 6G. Sin embargo, el rendimiento de las comunicaciones submarinas, por ejemplo en los océanos, siempre ha sido insatisfactorio.
Las ondas acústicas son el método más utilizado de comunicación submarina; sin embargo, tienen una frecuencia portadora baja, lo que conlleva un ancho de banda limitado. Aunque las ondas de radiofrecuencia tienen un ancho de banda de transmisión mayor que las ondas acústicas, debido al efecto piel, la distancia de transmisión está directamente limitada, lo que dificulta la aplicación de la tarea principal de la comunicación submarina 6G.
Las longitudes de onda entre 450 y 550 nm tienen una atenuación considerablemente menor que otras bandas de luz, lo que indica que la luz azul-verde es de gran importancia en la comunicación submarina y sienta las bases para la comunicación submarina de luz visible (UVLC). En comparación con otros métodos de comunicación inalámbrica, la UVLC presenta las ventajas de una alta velocidad de transmisión, una gran capacidad antiinterferente y una elevada seguridad. Los μLED han mostrado un gran potencial para la transmisión submarina de alta velocidad a media/corta distancia a través de un gran ancho de banda de modulación
Otro campo de gran crecimiento es la utilización de la Inteligencia Artificial para la mejora de las tecnologías de comunicación por luz visible. Recientemente, la IA se ha utilizado ampliamente en VLC para tareas como la modulación y demodulación de orden superior, la estimación de canales, el posicionamiento en interiores y la ecualización no lineal. Las no linealidades en los sistemas VLC de alta velocidad pueden mitigarse empleando esquemas de clustering y redes neuronales (NNs).
Para satisfacer los requisitos de datos cada vez mayores en la era 6G, hay que hacer varios esfuerzos para aumentar la velocidad de transmisión de datos hasta el orden de 10 Gbps. Desde el punto de vista de los dispositivos, combinar un ecualizador basado en redes neurales con μLEDs con un elevado ancho de banda es una solución factible para maximizar los datos transmitidos. Recientes investigaciones han combinado ecualizadores μLED y RNA de gran ancho de banda en un sistema VLC para lograr mayores velocidades de transmisión de datos.
Puede consultar el paper integró, donde se abordan todos los retos actuales para el desarrollo de microLEDs para las comunicaciones por luz visible del futuro a través del siguiente enlace:
https://www.oejournal.org//article/doi/10.29026/oes.2022.220020
Fuente de imágenes: https://doi.org/10.29026/oes.2022.220020
