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Antena óptica cilíndrica eficaz con un amplio campo de visión

Antena óptica cilíndrica eficaz con un amplio campo de visión

En un artículo publicado en la revista nanomaterialesEn este estudio, los investigadores introdujeron una antena fotónica cilíndrica mejorada y rentable con un amplio campo de visión (FOV) y un tiempo de respuesta rápido gracias a los nanomateriales altamente eficientes.

estancia: El estudio Monte Carlo/FDTD de antenas ópticas altamente eficientes para comunicación de luz visible basada en LED. Haber de imagen: Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com

En los últimos años, la necesidad de altas velocidades de datos y el rápido desarrollo de muchas tecnologías digitales han hecho de las comunicaciones inalámbricas un componente fundamental de los equipos de comunicaciones.

Las comunicaciones ópticas visibles (VLC) son un área nueva que aún tiene mucha investigación. Las ondas electromagnéticas (EM) se utilizan en esta tecnología como medio de comunicación. Debido a las limitaciones de ancho de banda causadas por el aumento del tráfico de la red, las comunicaciones por radiofrecuencia (RF), un tipo de comunicación inalámbrica, han respaldado la creciente necesidad de velocidades de datos más rápidas y mayor capacidad.

Comunicación inalámbrica óptica (OWC) y comunicación de luz visible (VLC)

El desarrollo de las comunicaciones inalámbricas ópticas (OWC) como tecnología de radiocomunicaciones alternativa, especialmente para comunicaciones en interiores, ha proporcionado un remedio para la necesidad de velocidades de datos rápidas. OWC utiliza ondas de luz electromagnéticas (EM) como portador de datos. Es una potencial tecnología de comunicación inalámbrica debido a su gran eficiencia energética, bajo costo, alta seguridad, alta velocidad de datos y amplio ancho de banda.

El infrarrojo (IR), el ultravioleta (UV) y la luz visible (VL) son las bandas ópticas utilizadas en la tecnología OWC como medio de transmisión. Una de las aplicaciones más útiles de la tecnología OWC es VLC, que utiliza la luz visible del espectro electromagnético como onda portadora para transmitir datos. VLC es un sistema de comunicación inalámbrico avanzado que puede proporcionar altas velocidades de datos para aplicaciones tanto en interiores como en exteriores.

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Estructura de vidrio cilíndrico dopado con SiO .2 Nanopartículas

Este estudio utilizó una estructura cilíndrica de vidrio dopada con SiO.2 Nanopartículas debido a sus importantes propiedades, que incluyen bajo costo, espectros de absorción ajustables, alta estabilidad y bajos tiempos de relajación. Además, la geometría cilíndrica de la estructura propuesta ofrece varias ventajas notables sobre las geometrías cúbicas, incluido un excelente acoplamiento a los fotodetectores, una sensibilidad razonable y un amplio campo de visión (FOV). Por lo tanto, da como resultado bajas pérdidas de fotones y alta eficiencia óptica. Además, el revestimiento de vidrio dirige la luz hacia los bordes del fotodetector porque esta construcción está destinada a capturar la mayor cantidad de luz posible en las nanopartículas.

Enfoque de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) y método de trazado de rayos de Monte Carlo

Los investigadores modificaron el tamaño de las nanopartículas para aumentar la superposición entre el espectro de emisión de la fuente de luz y el espectro de absorción de las nanopartículas. Como resultado, hubo menos pérdidas cuando las nanopartículas absorbieron y volvieron a emitir los datos de luz entrantes. Consiguieron la estructura ideal de la antena óptica combinando un enfoque de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) y un método de trazado de rayos de Monte Carlo para simular la estructura de la antena óptica. Esto les permitió obtener el SiO deseado2 Espectros de absorción y emisión de nanopartículas.

Fotones para convertir la señal eléctrica

La construcción propuesta muestra un cilindro de vidrio que contiene nanopartículas de dióxido de silicio con una cubierta central de radiación LED blanca. Un LED blanco generalmente consta de una capa de fosforescencia que actúa como un material de conversión descendente y un material de brecha de banda ancha que produce luz en la porción azul visible del espectro. Los puntos cuánticos (QD) adicionales actúan como nanopartículas plasmónicas y tienen propiedades ópticas diferentes a las de los QD de Si.

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A medida que las nanopartículas modulan la longitud del camino libre promedio de los fotones entrantes, los fotones que generan pueden viajar al límite del cilindro donde se ubican los fotodetectores. Finalmente, los fotodetectores convierten los fotones que han capturado en una señal eléctrica.

Resultados importantes del estudio

Se utilizó la técnica FDTD para analizar SiO2 Secciones transversales de absorción, dispersión y extinción de QDs. SiO2 Las nanopartículas se encontraron con un radio ideal de 79 nm que coincide con el espectro de la fuente de LED blancos. Este volumen de SiO2 Las nanopartículas muestran secciones transversales de extinción, dispersión y absorción de 5,05 × 10 .−13 METRO−24,4×10−13 METRO−2, y 6,65 x 10−14 METRO−2, Directo. Los investigadores utilizaron el método de trazado de rayos Monte Carlo para simular numéricamente la antena óptica propuesta e informaron la eficiencia óptica de diferentes tamaños de sustrato y concentraciones de impurezas dentro del sustrato.

eficiencia visual

Se descubrió que la eficiencia óptica de la estructura propuesta oscilaba entre el 1 y el 29 % para concentraciones y tamaños de diferentes tamaños. Para su uso en aplicaciones VLC que requieren tiempos de reacción rápidos, el sustrato de la antena se dopó con SiO efectivo2 Puntos cuánticos, que tienen un tiempo de relajación más corto que los LSC de concentradores solares luminiscentes a base de fósforo. Es una excelente antena captadora de luz con una superficie en forma de cilindro y un amplio campo de visión, que libera a VLC de los rastreadores de luz activos.

perspectivas de futuro

En otro estudio, los investigadores pretenden utilizar diferentes puntos cuánticos para mejorar el rendimiento de la antena en diferentes longitudes de onda del rango visible. Esto permitiría la multiplexación por división de longitud de onda para usar VLC con la antena para múltiples usuarios adyacentes.

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referencia

Darya Fakhri, Farid Alidoust, Ali Rostami y Peyman Mirtaheri (2022) Un estudio de Monte Carlo/FDTD de antenas ópticas altamente eficientes para la comunicación de luz visible utilizando un LED. nanomateriales. https://www.mdpi.com/2079-4991/12/20/3594

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