CN108702210A

CN108702210A - 针对编码光通信进行优化的光伏接收器

Info

Publication number: CN108702210A
Application number: CN201680082928.6A
Authority: CN
Inventors: B.阿拉扎; E.比亚利克; S.德维基
Original assignee: Sun Partner Scientific & Technical Corp
Current assignee: Sun Partner Scientific & Technical Corp; Sunpartner Technologies SAS
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2018-10-23
Also published as: FR3046512B1; WO2017115024A1; FR3046512A1; EP3398265A1; US20190028194A1; US10461861B2

Abstract

本发明涉及一种编码光通信装置，其中通信具有可根据照明条件而变化的称为SNR1的初始信噪比，该装置包括至少一个感光器型光接收器（2），其包括阳极（18或22）和阴极（19或24）并且具有值为Rsh1的初始分流电阻，该接收器能够同时暴露于承载信号的编码光（1）的源和未编码光（3）的源，其特征在于，所述阳极（18或22）和阴极（19或24）被布置在感光器（2）内部的至少一个短路电阻Rp（20或26）所短接，所述短路电阻具有值Rsh2，该值Rsh2被选择成使得所述感光器（2、C1、C2）的称为Rsh3的分流电阻的新值向通信装置给予所得到的新的信噪比SNR2，其中所述分流电阻的新值Rsh3产生于初始分流电阻Rsh1与短路电阻Rp（20或26）的连接，并且其中所述信噪比SNR2基本上保持与所述未编码光（3）的强度无关。

Description

针对编码光通信进行优化的光伏接收器

技术领域

本发明涉及VLC型（针对“Visible Light Communication（可见光通信）”的首字母缩写，也称为LiFi，英文术语Light-Fidelity（光保真）的首字母缩写）的编码光通信装置，并且更具体地与参与尤其是通信流的光学接收器的性能有关。

背景技术

编码光（VLC或LiFi）通信装置使用光来在两个遥远的点之间传输信息。编码光通信系统一般由包括至少一个电致发光二极管（通常用其英文首字母缩写“LED”表示）的光源和感光器型光接收器组成。这个或这些LED可以具有双重功能：同时照明并传送编码信息。这些LED可以是：

- 发射白光的LED，其由蓝色芯片组成并与荧光物质相关联，

- 发射特定颜色的LED，其由一个或多个具有颜色的芯片组成，

- 用眼睛无法察觉的方式在红外或紫外中发射的LED。

LED发射具有与自然光的光谱不同的特征发射光谱的光通量。光通量以Lux为单位进行测量，但为了与自然光区分，其中对光进行编码的LED的光通量称为LiFi Lux。因此，当所使用的光是由LED调制和产生的时，LiFi Lux是由照度计测量的光通量的度量单位。用于LiFi通信的照明水平一般有三种类型：“弱LiFi通量”，其是小于400 LiFi Lux的光通量。“中等LiFi通量”，其是包括在400与10 000 LiFi Lux之间的光通量。“强LiFi通量”是大于10 000 LiFi Lux的光通量。

LED提供可见光（LiFi）、红外（IR）和紫外（UV）波长范围内的光信号，其强度根据要传输的信息来进行调制。LED在可见光谱（LiFi）中的发射具有使得能够同时实现照明和数据传输的双重功能的优点，并且LED的物理特征使得专用系统能够设想大约每秒几百兆位的流率。

与信息处理系统相关联的大多数现有光电探测器使得能够分析所接收的光信号的幅值变化并由此推断所传输的信息。大多数光伏表面也是感光器，其用所产生的电信号的变化来复原接收到的光学信号的变化。

一般而言，LiFi接收系统无差别地接收来自所有空间方向的光，无论是环境光还是由LiFi发射器的LED发射的调制光。但是会出现技术问题，因为大多数已知的感光器对环境光非常敏感，并且在存在强环境光通量的情况下快速饱和。结果，在处于饱和时，它们不再能够重新转换LiFi信号的光强度变化。只要LiFi通量不是太高（<5000 Lux），这些感光器仍然是非常好的接收器，但它们在传输速度（流率）方面的性能在5000 Lux以上迅速下降，这需要实施信息处理手段并根据学习和自适应技术进行通信信道的反复自动校准，其最终性能仍然是非常有限的。

用于补救该问题的一个解决方案是在探测器处“辨别”来自LiFi LED的光与其它环境光源，以便提高LiFi信号的信噪比并且因此提高和稳定传输流率。存在使用透镜——可能是菲涅耳透镜或光学衍射元件——的“辨别”解决方案，这些透镜使来自LED的编码光聚集在感光器上以提高LiFi信号的信噪比。但是这些“使用透镜”的解决方案要求感光器只接收来自于单一方向的编码信号，这会将应用限制于保持固定的装置。

然而，通过经验测试观察到，当分流电阻Rsh显著降低到通常在市场上可获得的光伏电池中发现的分流电阻值以下时，SNR比的敏感性降低甚至消失。这些电池一般具有约1500至2000Ω.cm²的分流电阻。这是在考虑到感光器的面积、并且如果感光器由光伏材料制成则考虑到光伏面积的百分比的情况下的分流电阻。

发明目标

本发明的主要目标是改善LiFi通信的信噪比，即使当感光器同时接收使所述接收器位于远高于5000 Lux的照度范围内的未编码的环境光时也是如此。尽管有这个强光的接收，但即使在环境照度强烈变化的情况下，所述感光器也将应当保持SNR（信噪比）基本恒定。于是，实施本发明的装置将与诸如便携式电话、GPS、平板电脑之类的移动通信装置兼容，并且总体上与放置在所有类型的运输车辆中的LiFi通信装置兼容。

在本发明含义内的术语“信噪比”中，词语“噪声”由与接收系统相关联的电子噪声来定义，包括感光器的固有电噪声。在没有未编码光的情况下存在这种噪声。已知：（存在于通过量子现象描述能量传递的任何电路中的）“散粒”噪声或粒噪声，与因为由热离子效应引起的电子的随机发射并且尤其出现在负载电阻中的二极管中的电流有关的噪声，由于电磁辐射的微粒性质的光子噪声，以及因为由温度导致的电荷随机移动而引起的约翰逊噪声或热噪声。

为了实现改善信噪比这一目标，有必要设计具有小于在已知光电探测器中发现的通常值的分流电阻Rsh的光电探测器。

发明内容

本发明的目的在于一种编码光通信装置，其中通信具有可根据照明条件而变化的称为SNR1的初始信噪比，该装置包括至少一个感光器型光接收器，其包括阳极和阴极，并且具有值为Rsh1的初始分流电阻，该接收器能够同时暴露于承载信号的编码光的源和未编码光的源，其特征在于，所述阳极和阴极被布置在感光器内部的至少一个短路电阻Rp所短接，所述短路电阻具有值Rsh2，该值Rsh2被选择成使得所述感光器的称为Rsh3的分流电阻的新值向通信装置给予所得到的新的信噪比SNR2，其中所述分流电阻的新值Rsh3产生于初始分流电阻Rsh1与短路电阻Rp的连接，并且其中所述信噪比SNR2基本上保持与所述未编码光的强度无关。

为了实现即使在未编码光（例如环境光）的强度增大时仍保持基本稳定的SNR比，本发明提出选择分流电阻Rp以使得（由电阻Rsh1和Rsh2并联构成的）等效分流电阻Rsh3小于预定阈值值。

测试表明，在考虑了光电探测器的活性面积和（在基于光伏材料的方形光电探测器的情况下的）光伏面积的百分比的情况下的等效分流电阻Rsh3的预定阈值值小于约1000Ω.cm²的值。换句话说，如果光电探测器是表面积为1 cm²的方形光伏电池，则它应当具有小于1000 Ω的等效分流电阻。因此，针对给定的光伏电池，可以根据其表面积和其光伏材料覆盖百分比来计算目标分流电阻阈值。

在相干源的情况下，编码光源可以以幅值或相位进行编码，或者在非相干源的情况下，编码光源可以通过其光强度的变化进行编码。

大多数已知的（非光伏）感光器对环境光非常敏感，并且在存在强环境光通量的情况下快速饱和。结果，在处于饱和时，它们不再能够重新转换LiFi信号的光强度变化。然而，只要LiFi通量不是太高（<5000 Lux），这些已知感光器通常仍是非常好的接收器。

根据本发明的装置包括感光器，该感光器可以是由至少一个光伏电池组成的模块，该模块从光辐射产生显著的电压，并且即使在具有强环境光通量的环境中也使得能够接收LiFi信号，而且这不会使得处于上述饱和现象。与其它感光器不同，所述光伏模块能够在存在太阳辐射的情况下接收来自放置在外部的LiFi源的LiFi信号，而不会在接收处引起干扰。实际上，所述装置具有特定的特征，即对于给定的LiFi照明水平，存在所述模块的内部电阻值（分流电阻Rsh2），其稳定SNR并使得光电探测对于环境光通量的增大不敏感。

根据本发明的感光器具有稳定的信噪比（SNR1基本上等于SNR2）的特征。对于给定的LiFi Lux水平，当环境Lux水平在所定义的照明水平的范围（根据所述光伏接收器）内增大或降低时，根据有效频带，SNR的变化很小，也就是说，在给定频带中SNR水平的变化保持小于5％。

因此，构成本发明的一部分的光伏光学接收器使得能够与环境光环境无关地优化光学通信。所述光伏接收器当在弱环境光（这是小于例如约400 LiFi Lux的环境的情况）或在强环境光（大于例如约50 000 Lux的环境）中工作时，所述光伏接收器在通信不会恶化——也即流率不会下降——的情况下操作。

该装置的SNR的稳定性有助于实施信息处理手段，使得能够摆脱反复自动校准，并且因此摆脱信道学习和信道自适应技术。信息处理手段于是可以摆脱信道自适应步骤。

在本发明的一个特定实施例中，感光器是任何类型的光伏电池，诸如例如，晶体硅或非晶硅或光敏薄层的堆叠型电池。光伏电池的内部结构可以非常多样化，但在任何情况下，内部分流电阻（Rsh1）仍然是每个电池的固有特征。正是该初始分流电阻（Rsh1）通过如本发明提供的分流（Rsh2）而降低到新的较低值（Rsh3）。

根据另一特定实施例，所述感光器是半透明的，并且由根据本发明的特征的光伏电池网组成，这些电池通过透明区彼此间隔开。所述电池的尺寸可以小于100微米，这使得所述接收器是半透明的并且具有统一的外观，让眼睛的分辨能力无法单独区分这些电池。

在前面的实施例中，所有光伏电池的都具有已被分流Rsh2降低的其分流电阻Rsh1，以便优化LiFi信息的接收性能和传输速度，尤其是在强光下的接收性能和传输速度。为了实现这种分流的自适应，可以限制“被分流”电池的数量以便逼近理想的操作值。为此，短路电阻Rp仅位于所述电池网中的P％比例的光伏电池上，使得感光器的总分流电阻（Rsh3）与该所述比例P％有关。

在电池的阴极和阳极之间的所述值Rp短路的实现可以以各种方式进行，这取决于所使用的电池的类型，尤其是该电接合可以是有线类型的或印刷表面类型的，并且可以由任何类型的导体或半导体材料组成。

在其它实施例中，所述通信装置还接收未编码的环境光，其可以是自然光（太阳光）或来自诸如例如LED（“发光二极管”）、荧光灯管、白炽灯或钠蒸汽灯的任何类型的灯的人造光。

为了增大由所述接收器接收的编码光的强度，一个特定实施例（未示出）包括会聚光学透镜或衍射元件，其例如使得能够在编码光源与所述感光器的活性表面之间使光聚集。

在另一实施例中，透镜或衍射光学元件位于光伏电池与被放置在半透明的感光器后面的电子图像之间。在该特定实施例中，透镜穿过位于电池之间的透明空间而聚集电子图像的光，这使得可穿过所述感光器看到图像。

由于所述编码光通信装置能够在外面的太阳光下操作，因此本发明还目的在于集成了根据本发明的通信装置的所有类型的移动设备，诸如例如便携式电话或GPS（“全球定位系统”的缩写）。

由于所述编码光通信装置能够与半透明接收器一起操作，因此本发明还目的在于集成了根据本发明的通信装置的所有类型的半透明表面，诸如例如用于任何类型的建筑物的窗玻璃、用于任何类型的运输车辆的窗玻璃或用于任何类型的电子显示屏幕的玻璃。

附图说明

借助于关于附图1至8的对本发明的详细描述，将能更好地理解本发明。

图1表示通信装置的各种组件。

图2是传统感光器的特性的以等效电路图形式的建模表示。

图3是根据本发明的感光器的特性的以等效电路图形式的建模表示。

图4是显示在存在强环境光的情况下的传统感光器的LiFi信号衰减的图表。

图5是表示在存在强光的情况下的传统感光器的SNR降低的图表。

图6是示出在根据本发明的感光器的情况下即使在存在各种强环境光的情况下的SNR的稳定性的图表。

图7是晶体硅光伏电池和根据本发明的短路的位置的示意性三维表示。

图8是非晶硅（薄层）光伏电池和根据本发明的短路的位置的示意性三维表示。

具体实施方式

参考图1，根据本发明的编码光通信装置包括：

- 感光器型光接收器（2），其分流电阻值通过在其阳极（5）和其阴极（4）之间放置具有非零电阻的短路（6）而得以降低。

- 承载信号的编码光(1)的源。

- 未编码光（3）的源，其部分光照明所述感光器（2），该未编码光（3）可以是自然太阳光或人造光。

因此，感光器（2）同时接收编码光（1）和未编码光（3）。可以证实，信号接收质量取决于许多因素，其中包括信号强度与未编码光（3）的强度之间的比率，并且更一般地是信号强度与本质上可以是电子的和/或光学的背景“噪声”的强度之间的比率。通信的SNR（信噪比）代表通信质量以及其极限，尤其是在传输流率方面的极限。

图2和图3是感光器的建模表示。

图2表示传统感光器的以等效电路图形式的建模，所述传统感光器表现得类似于电力发生器（7）、二极管（8）和组件固有的分流电阻（Rsh1）的并联设置。串联电阻（Rs）将所述感光器与外部电阻负载（Rc）连接，在外部电阻负载（Rc）两端出现电位差（U），其与感光器（2）接收的总光强度（1和3）成比例。

图3表示根据本发明的感光器的以等效电路图形式的建模，所述感光器除了感光器的传统元件（图2）之外还包括位于与感光器的分流电阻（Rsh1）并联的具有非零电阻（Rsh2）的短路Rp。该短路的结果是它降低了感光器（2）的总分流电阻（表示为Rsh3）。

图4表示在接收以6600 Lux发射的LiFi光并且没有未编码光的情况下（曲线9）以及在接收相同的以6600 Lux的LiFi编码光但是还有36000 Lux的未编码光的情况下（曲线10）的由传统感光器接收的信号强度随着其发射频率（直到1.4兆赫)的变化。可以清楚地注意到由于未编码环境光（3）的存在（补充接收）而导致的LiFi信号的总体衰减。

图5再次示出与图4相同的操作模式，即在传统的感光器上的以6600 Lux的LiFi接收（曲线11）和以6600 Lux的LiFi加上36000 Lux的环境光接收（曲线12）。两条曲线11和12表示SNR（dB）随着传输频率（直到1.4兆赫）的变化。与图4的情况一样，明显注意到在未编码环境光（3）存在（补充接收）期间传输质量的衰减。

图6包含四条曲线（13、14、15、16），它们代表SNR（dB）随传输频率（直到5.5兆赫）以及随由根据本发明的感光器（2）接收的补充照明的四个等级的演变，根据本发明的感光器（2）即分流电阻已经被具有非零值的电阻性短路所降低的感光器。对于这四条曲线，LiFi通量强度的值是相同的并且值为750 Lux。每条曲线的补充非编码光（3）的强度值如下：曲线13 = 0 Lux；曲线14 = 6000 Lux；曲线15 = 17000 Lux；曲线16 = 32000 Lux。

于是要指出的是，与上面的图4和图5相反，曲线13、14、15和16具有基本相同的形状和相同的幅值，这意味着无论将要加入到LiFi编码光中的未编码光（3）的强度是多少都存在稳定的SNR。

图7表示在根据本发明的通信装置中用作感光器（2）的光伏电池（C1）。光伏电池（C1）由掺杂的晶体硅的薄片（17）组成，在其一面上沉积电子收集栅格（阳极，18）并且在其另一面上沉积铝薄层（19），铝薄层（19）充当电池（C1）的阴极。在两个面（18和19）之间形成电阻性短路（20），其降低光伏电池（C1）的分流电阻的值。该短路（20）可以以各种方式实现，诸如例如：在电池周边（边缘）上在阳极和阴极之间实现一个或多个小直径的线接合，或者通过激光工艺实现穿过电池的一个或多个孔或通孔（20b）的钻孔，所述激光工艺使得能够在孔壁上沉积传导材料，该传导材料在阳极和阴极之间产生电传导。

图8表示在根据本发明的通信装置中用作感光器（2）的光伏模块（C2）。所述光伏模块C2由优选由玻璃制成的透明基板（25）组成，在透明基板（25）上沉积透明的传导ZnO薄层（22），然后在透明的传导ZnO薄层上沉积活性非晶硅薄层（23），最后在活性非晶硅薄层（23）上沉积铝薄层（24）。通过激光束对所述模块进行结构化，以便通过烧蚀形成透明区域（21a、21b）的网和电池（S1、S2、S3）的网，这些电池之间借助于阳极表面处的间隔（P1）、阴极表面处的间隔（P3）以及两个邻接电池处的阳极与阴极之间的电接合（P2）以串联模式相互电连接。本领域技术人员已知的这种结构对于所述光伏模块（C2）的每个电池（S1、S2、S3）表现出对于所有所述电池来说基本相等的内部分流电阻（未示出）。为了针对在外面——即存在太阳光的情况下——的LiFi模式通信来优化该感光器，通过某些邻接的电池（例如S1和S2）的两个阳极之间或两个阴极之间的短路（26）使所述电池（S1、S2）短接，以便降低光伏模块的总分流电阻。

实际上，由于这些电池以串联模式耦合，因此所述模块的分流电阻是所有单个电池的分流电阻的总和，并且使某个百分比的所述电池的分流电阻降低能使所述模块的分流电阻降低相同的百分比。短路可以例如通过例如使用热激光束的属性在一定数目的阴极之间的间隔（P3）处局部熔化薄铝层（24）来实现。

本发明的优点

最终，即使当编码光（LiFi）通信装置的感光器同时接收照度大于5000 Lux的未编码环境光时，本发明也能通过使得能够稳定该装置的信噪比（SNR）来很好地符合所设定的目标，这于是使得该装置与诸如便携式电话、GPS、平板电脑和总体上所有类型的运输车辆的外部移动通信装置兼容。

Claims

1.编码光通信装置，其中通信具有可根据照明条件而变化的称为SNR1的初始信噪比，该装置包括至少一个感光器型光接收器（2），其包括阳极（18或22）和阴极（19或24）并且具有值为Rsh1的初始分流电阻，该接收器能够同时暴露于承载信号的编码光（1）的源和未编码光（3）的源，

其特征在于，所述阳极（18或22）和阴极（19或24）被布置在感光器（2）内部的至少一个短路电阻Rp（20或26）所短接，所述短路电阻具有值Rsh2，该值Rsh2被选择成使得所述感光器（2、C1、C2）的称为Rsh3的分流电阻的新值向通信装置给予所得到的新的信噪比SNR2，其中所述分流电阻的新值Rsh3产生于初始分流电阻Rsh1与短路电阻Rp（20或26）的连接，并且其中所述信噪比SNR2基本上保持与所述未编码光（3）的强度无关。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，分流电阻Rp被选择成使得等效分流电阻Rsh3小于预定阈值值。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，等效分流电阻Rsh3的预定阈值值大约是1000 Ω.cm²。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的编码光通信装置，其特征在于，在相干源的情况下，所述编码光（1）源以幅值或相位进行编码，或者在非相干源的情况下，所述编码光（1）源通过其光强度的变化进行编码。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的编码光通信装置，其特征在于，所述感光器（2）是光伏电池（C1或C2），其能够是任何类型的，例如晶体硅或非晶硅或光敏薄层的堆叠类型的。

6.根据前述权利要求中的一项所述的编码光通信装置，其特征在于，所述感光器（2）是半透明的（C2），并且由通过透明区（21a、21b）隔开的光伏电池（S1、S2、S3）的网组成。

7.根据权利要求6所述的编码光通信装置，其特征在于，所述短路电阻Rp（26）仅位于所述电池网中的P％比例的光伏电池（S1、S2）上，使得所述光电探测器（C2）的总分流电阻与该所述比例P％有关。

8.根据前述权利要求中的一项所述的编码光通信装置，其特征在于，短路电阻Rp是有线或印刷表面型的接合，所述接合由任何类型的导体或半导体材料组成。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的编码光通信装置，其特征在于，未编码光（3）是自然太阳光或来自诸如例如LED（“发光二极管”）、荧光灯管、白炽灯或钠蒸汽灯的任何类型的灯的人造光。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的编码光通信装置，其特征在于，所述感光器（2）还包括至少一个光学透镜或者衍射或不衍射的光学元件，其能够将光辐射聚集在所述感光器（2）的活性表面之上或之间。

11.设备，其特征在于它集成了根据前述权利要求中的任一项所述的编码光通信装置，所述设备诸如例如便携式电话或GPS装置。

12.半透明表面，其特征在于它集成了根据权利要求1至10中的任一项所述的通信装置，所述半透明表面诸如例如用于建筑物的窗玻璃、运输车辆的窗玻璃、或者任何类型的电子显示屏幕。