EP3398265A1 - Récepteur photovoltaïque optimisé pour la communication par lumière codée - Google Patents

Récepteur photovoltaïque optimisé pour la communication par lumière codée

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Publication number
EP3398265A1
EP3398265A1 EP16826370.5A EP16826370A EP3398265A1 EP 3398265 A1 EP3398265 A1 EP 3398265A1 EP 16826370 A EP16826370 A EP 16826370A EP 3398265 A1 EP3398265 A1 EP 3398265A1
Authority
EP
European Patent Office
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light
communication
photoreceptor
coded
coded light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16826370.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Brice Arrazat
Emilie BIALIC
Sylvain DE VECCHI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sunpartner Technologies SAS
Original Assignee
Sunpartner Technologies SAS
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3398265A1 publication Critical patent/EP3398265A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
    • H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal
    • H04B10/0795—Performance monitoring; Measurement of transmission parameters
    • H04B10/07953—Monitoring or measuring OSNR, BER or Q

Definitions

  • the present invention relates to communication devices by coded light type VLC (acronym for "Visible Light Communication”) also known under the name of LiFi (acronym for "Light-Fidelity” in English terminology) and more particularly relating to with the performance of the optical receiver which participates inter alia in the flow of the communication.
  • VLC coded light type
  • LiFi acronym for "Light-Fidelity” in English terminology
  • a coded light communication system is generally composed of a light source comprising at least one light emitting diode (commonly referred to by its acronym "LED") and a photoreceptor light receiver.
  • the LED or LEDs may have a dual function, both lighting and coded information communication.
  • the LEDs can be:
  • LEDs emitting a white light composed of a blue chip and associated with a luminophore
  • LEDs emitting a specific color composed of one or more color chips
  • LEDs emitting in the infra-red or ultraviolet imperceptibly to the eye.
  • LEDs emit a luminous flux with a characteristic emission spectrum, different from the spectrum of natural light. Luminous flux is measured in Lux, but to distinguish it from natural light, the luminous flux of the LEDs whose light is coded is called Lux LiFi.
  • the Lux LiFi is therefore the unit of measure of the luminous flux measured from a luxmeter when the light used is modulated and generated by LEDs.
  • the levels of illumination that are used for LiFi communications are generally of three types: The "low LiFi flux” which is a luminous flux less than 400 Lux LiFi. The "average LiFi flux” which is a luminous flux between 400 and 10,000 Lux LiFi. The "strong LiFi flux” which is a luminous flux greater than 10,000 Lux LiFi.
  • the LEDs provide a light signal in the wavelength ranges of visible (LiFi), infrared (IR) and ultraviolet (UV), the intensity of which is modulated according to the information to be transmitted. .
  • the emission of LEDs in the visible spectrum (LiFi) has the advantage of allowing a dual function of both lighting and data transmission, and the physical characteristics of the LEDs make it possible to envisage flow rates of the order of a few hundred megabits per second for dedicated systems.
  • the LiFi reception systems receive the lights from all directions of the space without distinction, whether it is the ambient light or the modulated light emitted by the LEDs of a LiFi transmitter .
  • a technical problem arises because most known photoreceptors are very sensitive to ambient light and saturate rapidly in the presence of a strong ambient light flux. As a result, they no longer make it possible to retranscribe the variation of the luminous intensity of the LiFi signal when the saturation is installed.
  • a solution to this problem is, at the detector, to "discriminate” the light from LiF LEDs from other sources of ambient light in order to increase the signal / noise ratio of the LiFi signal and consequently to increase and stabilize the transmission rate.
  • "Discrimination” solutions exist that use lenses, possibly Fresnel lenses or optical diffractive elements, which focus the coded light from the LEDs on the photoreceptor to increase the signal-to-noise ratio of the LiFi signal. But these solutions “with lenses” require the photoreceptor to receive the coded signal from a single direction, which limits applications to devices that remain fixed.
  • the main purpose of the invention is to improve the signal-to-noise ratio of a LiFi communication, even when the photoreceptor receives at the same time an uncoded ambient light which positions said receiver in a brightness range well above 5000 Lux. Despite this reception of intense light, said photoreceptor will have to keep the SNR (signal / noise ratio) substantially constant even in the case of large variations in the ambient luminosity.
  • the device embodying the invention will then be compatible with mobile communication means such as mobile phones, GPS, tablet computers and generally with LiFi communication devices placed in all types of vehicles. transport.
  • the word “noise” is defined by an electronic noise associated with the reception system including the intrinsic electrical noise of the photoreceptor. This noise exists in the absence of uncoded light.
  • the noise "shot” or noise shot present in any electrical circuit where the energy transfer is described by quantum phenomena
  • the noise related to the current in a diode that is due to the random emission of electrons by thermo-ionic effect and which is particularly born in the charge resistance
  • the photonic noise due to the corpuscular nature of the electromagnetic radiation
  • the Johnson noise or thermal noise due to the random movements of the charges generated by the temperature.
  • the subject of the invention is a coded-light communication device whose communication has an initial SNR1 signal-to-noise ratio which varies according to the lighting conditions, this device comprising at least one photoreceptor-type light receiver comprising an anode and a cathode and having an initial shunt resistance Rsh1 value, this receiver being capable of being simultaneously exposed to a coded light source carrying a signal and an uncoded light source, characterized in that said anode and cathode are short-circuited by at least one short-circuit resistance Rp arranged inside the photoreceptor, of value Rsh2 chosen so that the new value of the shunt resistance of said photoreceptor denoted Rsh3 and resulting from the connection of the resistance of initial shunt Rsh1 and the short-circuit resistance Rp confers on the communication device a new resulting signal-to-noise ratio SNR2 which remains substantially independent of the intensity of said uncoded light.
  • the invention provides for selecting a shunt resistor Rp so that the shunt resistance equivalent Rsh3 (consisting of resistors Rsh1 and Rsh2 in parallel) is less than a predetermined threshold value.
  • the predetermined threshold value of the equivalent shunt resistor Rsh3 taking into account the active surface of the photodetector and the percentage of photovoltaic area (in the case of a square photo-detector based on photovoltaic material) is less than a value of the order of 1000 Q.cm 2 .
  • the photo detector was a square photovoltaic cell with an area of 1 cm 2 , it should have a shunt resistance equivalent less than 1000 ⁇ .
  • the target shunt resistance threshold can therefore be calculated for a given photovoltaic cell, as a function of its surface area and its percentage of photovoltaic material coverage.
  • the coded light source may be coded either in amplitude or in phase in the case of a coherent source, or by the variation of its luminous intensity in the case of an incoherent source.
  • the device according to the invention comprises a photoreceptor which can be a module composed of at least one photovoltaic cell which generates a significant electrical voltage from a light radiation, and which makes it possible to receive a LiFi signal even in a strong environment. ambient light flux, and this without the aforementioned saturation phenomenon is installed.
  • Said photovoltaic module is able to receive a LiFi signal from a LiFi source placed outside in the presence of solar radiation without causing disturbance at the reception, unlike other photoreceptors.
  • said device has a particular characteristic which is that for a given level of illumination LiFi, there exists an internal resistance value (shunt resistor Rsh2) of said module which stabilizes the SNR and renders the photo-detection insensitive to the increase. the ambient luminous flux.
  • the photoreceptor according to the invention has the characteristic of a stable signal-to-noise ratio (SNR1 substantially equal to SNR2).
  • SNR1 stable signal-to-noise ratio
  • the SNR varies little according to the useful frequency band, ie that is to say that the variations of the SNR level in the given frequency band remain below 5%.
  • the photovoltaic optical receiver which is part of the invention, makes it possible to optimize the optical communication independently of the ambient light environment.
  • Said photovoltaic receiver operates without deterioration of the communication, that is to say without a drop in flow, when working in low ambient light (this is the case of an indoor environment for example of the order of 400 Lux LiFi) or in strong ambient light (external environment, for example of the order of 50 000 Lux).
  • the stability of the SNR of the device facilitates the implementation of the information processing means, eliminates the need for recurrent automatic calibration and therefore channel learning techniques and channel adaptation.
  • the information processing means can then be freed from the channel adaptation step.
  • the photoreceptor is a cell photovoltaic of any type such as a crystalline silicon type cell, or amorphous silicon or a stack of thin photosensitive layers.
  • the internal structure of the photovoltaic cell can be very diverse, but in all cases the internal shunt resistance (Rsh1) remains an intrinsic characteristic of each cell. It is this initial shunt resistor (Rsh1) that is lowered to a new lower value (Rsh3) by a shunt (Rsh2) as provided by the present invention.
  • said photoreceptor is semi-transparent and is composed of an array of photovoltaic cells according to the characteristics of the invention, these cells being spaced apart from one another by zones of transparency.
  • the size of said cells may be less than 100 microns which makes said receptor semitransparent and uniform appearance without the separating power of the eye does not distinguish cells individually.
  • all the photovoltaic cells have their shunt resistor Rsh1 which has been lowered by an Rsh2 shunt in order to optimize the reception and transmission speed performance of the LiFi information, in particular in intense light.
  • Rsh1 which has been lowered by an Rsh2 shunt in order to optimize the reception and transmission speed performance of the LiFi information, in particular in intense light.
  • the short-circuit resistance Rp is positioned only on a proportion P% of photovoltaic cells of said cell network so that the overall shunt resistance (Rsh3) of the photoreceptor will be related to this said proportion of P%.
  • said short circuit of value Rp between the cathode and the anode of the cells can be done in different ways, depending on the types of cells used, in particular this electrical junction can be of wire type or printed surface type, and can be composed of all types of conductive or semiconductor materials.
  • said communication device also receives uncoded ambient light that may be natural light (solar) or artificial light from all types of lamps such as LEDs ("Light Emissive Diode”). "), Fluorescent tubes, incandescent lamps or Sodium vapor lamps.
  • a particular embodiment comprises convergent optical lenses or diffractive elements for example for focusing the light between the source of the coded light and the active surface of said photoreceptor.
  • the lenses or diffractive optical elements are positioned between the photovoltaic cells and an electronic image placed behind the photoreceptor which is semi-transparent.
  • the lenses in this particular embodiment, concentrate the light of the electronic images through the transparency spaces between the cells, which makes the image visible through said photoreceptor.
  • the present invention also relates to all types of mobile devices that integrate the communication device according to the invention, such as for example mobile phones or GPS (Sigle of "Global Positioning System”).
  • the subject of the present invention is also any type of semitransparent surface that integrates the communication device according to the invention, such as, for example, glass panes. all types of buildings, windows for all types of transport vehicles or for all types of screens with electronic displays. detailed description
  • FIG. 1 shows the various components of the communication device
  • FIG. 2 is a modeled representation in the form of an equivalent electrical diagram of the behavior of a conventional photoreceptor.
  • FIG. 3 is a model representation in the form of an equivalent electrical diagram of the behavior of the photoreceptor according to the invention.
  • Fig. 4 is a graph showing the attenuation of the LiFi signal of a conventional photoreceptor in the presence of intense ambient light.
  • Fig. 5 is a graph which shows the SNR decrease of a conventional photoreceptor in the presence of intense light.
  • FIG. 6 is a graph which shows the stability of the SNR even in the presence of various intense ambient lights in the case of a photoreceptor according to the invention.
  • Figure 7 is a schematic three-dimensional representation of a crystalline silicon photovoltaic cell and the position of a short circuit according to the invention.
  • FIG. 8 is a schematic three-dimensional representation of a photovoltaic cell made of amorphous silicon (thin layer) and the position of a short circuit according to the invention.
  • the coded light communication device comprises:
  • a photoreceptor type light receiver (2) whose value of its shunt resistance is reduced by the installation of a non-zero resistance short circuit (6) between its anode (5) and its cathode (4).
  • this uncoded light (3) can be natural sunlight or artificial light.
  • the photoreceptor (2) therefore receives both coded light (1) and uncoded light (3). It can be shown that the quality of signal reception depends on several factors the ratio of the signal intensity to the intensity of the uncoded light (3), and more generally between the signal strength and the intensity of the background "noise" which may be of a nature electronic and / or optical.
  • the SNR of a communication (signal-to-noise ratio) is representative of the quality of the communication and its limits, particularly in terms of transmission rate.
  • Figures 2 and 3 are modeled representations of a photoreceptor.
  • FIG. 2 represents the equivalent electrical block diagram modeling of a conventional photoreceptor which behaves like the paralleling of an electricity generator (7), a diode (8) and a shunt resistor (Rsh1) which is intrinsic to the component.
  • a series resistor (Rs) puts said photoreceptor in connection with an external resistive load (Rc) across which a potential difference (U) appears which is proportional to the overall light intensity (1 and 3) received by the photoreceptor ( 2).
  • FIG. 3 shows the equivalent electrical diagram of a photoreceptor according to the invention, which comprises, in addition to conventional elements of a photoreceptor (FIG. 2), a non-zero resistance Rp short-circuit (Rsh2) positioned. in parallel with the shunt resistor (Rsh1) of the photoreceptor.
  • Rsh2 non-zero resistance Rp short-circuit
  • FIG. 4 represents the variation of the intensity of a signal received by a conventional photoreceptor as a function of its emission frequency (up to 1.4 Mega Hertz) in the case (curve 9) of a reception of a light LiFi emitted at 6600 Lux, without uncoded light, and in the case (curve 10) of a reception of the same LiFi coded light at 6600 Lux but with in addition an uncoded light of 36000 Lux. Note a general attenuation of the LiFi signal due to the presence (complementary reception) of an uncoded ambient light (3).
  • FIG. 5 shows the same operating mode as that of FIG. 4, that is to say a 6600 Lux LiFi reception (curve 1 1) and a 6600 Lux LiFi reception plus an ambient light of 36000 lux (curve 12 ) on a conventional photoreceptor.
  • the two curves 1 1 and 12 represent the variation of the SNR (dB) as a function of the transmission frequency (up to 1 .4 megahertz).
  • dB the transmission frequency
  • Figure 6 contains four curves (13,14,15,16) representative of the evolution of the SNR
  • the curves 13, 14, 15 and 16 have substantially the same shape and the same amplitude, which means that there is in the presence of a stable SNR regardless of the intensity of the uncoded light (3) which is added to the coded light Lifi.
  • FIG. 7 represents a photovoltaic cell (C1) used as a photoreceptor (2) in the communication device according to the invention.
  • the photovoltaic cell (C1) is composed of a doped crystalline silicon sheet (17) on one side of which is deposited an electronic collection grid (anode, 18) and on the other side of which is deposited a thin layer of aluminum (19) which acts as a cathode for the cell (C1). Between the two faces (18 and 19) is created a resistive short-circuit (20) which lowers the value of the shunt resistance of the photovoltaic cell (C1).
  • This short-circuit (20) can be realized in various ways, such as for example: making one or more small-diameter wire junctions between the anode and the cathode at the periphery of the cell (on the edges), or performing the drilling one or more holes or vias (20b) through the cell by a laser process which makes it possible to deposit on the walls of the hole a conductive material which creates an electrical conduction between the anode and the cathode.
  • FIG. 8 represents a photovoltaic module (C2) used as a photoreceptor (2) in the communication device according to the invention.
  • Said photovoltaic module C2 is composed of a transparent substrate (25), preferably made of glass, on which is deposited a transparent conductive ZnO thin layer (22), then on it an active thin layer of amorphous silicon (23). , then finally on it a thin layer of aluminum (24).
  • Said module is structured by a laser beam so as to create by ablation a network of transparent zones (21 a, 21 b) and an array of cells (S1, S2, S3) electrically interconnected with each other in series mode by separations.
  • the shunt resistance of said module is the sum of the shunt resistances of all the individual cells and the fact of lowering the shunt resistance of a certain percentage of said cells, decreases the shunt resistance of said module of the same percentage.
  • the short circuits can be made for example by locally melting the thin aluminum layer (24) at a number of separations between cathodes (P3) for example using the properties of a thermal laser beam.
  • the invention responds well to the goals set by stabilizing the signal-to-noise ratio (SNR) of a coded light communication device (LiFi), even when the photoreceptor of this device receives at the same time a non-ambient light.
  • SNR signal-to-noise ratio

Landscapes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif de communication par lumière codée dont la communication présente un rapport signal sur bruit initial noté SNR1 variable en fonction des conditions d'éclairage, c© dispositif comprenant au moins un récepteur de lumière de type photorécepteur (2) comportant une anode (18 ou 22) et une cathode (19 ou 24) et présentant une résistance de shunt initiale de valeur Rsh1, ce récepteur étant susceptible d'être exposé simultanément à une source de lumière (1) codée porteuse d'un signal et à une source de lumière non codée (3), caractérisé en ce que lesdites anode (18 ou 22) et cathode (19 ou 24) sont court-cîrcuitées par au moins une résistance de court-circuit Rp (20 ou 26) aménagée à l'intérieur du photorécepteur (2), de valeur Rsh2 choisie de manière que la nouvelle valeur de la résistance de shunt dudit photorécepteur (2,C1,C2) notée Rsh3 et résultant de la connexion de la résistance de shunt initiale Rsh1 et de la résistance de court-circuit Rp (20 ou 26) confère au dispositif de communication un nouveau rapport signal sur bruit résultant SNR2 qui reste sensiblement indépendant de l'intensité de ladite lumière non codée (3).

Description

Récepteur photovoltaïque optimisé pour la communication par lumière codée
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte aux dispositifs de communication par lumière codée de type VLC (acronyme pour « Visible Light Communication ») aussi connue sous le nom de LiFi (acronyme de « Light-Fidelity » en terminologie anglo-saxonne) et plus particulièrement en rapport avec les performances du récepteur optique qui participe entre autre au débit de la communication. Etat de la technique
Les dispositifs de communication par la lumière codée (VLC ou LiFi) utilisent la lumière pour transmettre une information entre deux points distants. Un système de communication par la lumière codée est composé en général d'une source de lumière comprenant au moins une diode électroluminescente (communément désignée par son acronyme anglais « LED ») et un récepteur de lumière de type photorécepteur. La ou les LEDs peuvent posséder une double fonction, à la fois d'éclairage et de communication d'informations codées. Les LEDs peuvent être :
- des LEDs émettant une lumière blanche composées d'une puce bleue et associées à un luminophore,
- des LEDs émettant une couleur spécifique composée d'une ou de plusieurs puces de couleurs,
- des LEDs émettant dans l'infra-rouge ou l'ultra-violet de façon imperceptible à l'œil. Les LEDs émettent un flux lumineux avec un spectre d'émission caractéristique, différent du spectre de la lumière naturelle. Les flux lumineux sont mesurés en Lux, mais pour faire la distinction avec la lumière naturelle, les flux lumineux des LEDs dont la lumière est codée sont dénommés Lux LiFi. Le Lux LiFi est donc l'unité de mesure du flux lumineux mesuré à partir d'un luxmètre lorsque la lumière utilisée est modulée et générée par des LEDs. Les niveaux d'éclairement qui sont utilisés pour les communications LiFi sont en général de trois types : Le « faible flux LiFi » qui est un flux lumineux inférieur à 400 Lux LiFi. Le « flux LiFi moyen » qui est un flux lumineux compris entre 400 et 10 000 Lux LiFi. Le « fort flux LiFi » qui est un flux lumineux supérieur à 10 000 Lux LiFi.
Les LEDs fournissent un signal lumineux dans les gammes de longueur d'onde du visible (LiFi), de l'infrarouge (IR) et de l'ultraviolet (UV), dont l'intensité est modulée en fonction de l'information à transmettre. L'émission des LEDs dans le spectre visible (LiFi) a l'avantage de permettre une double fonction à la fois d'éclairage et de transmission des données, et les caractéristiques physiques des LEDs permettent d'envisager des débits de l'ordre de quelques centaines de mégabits par seconde pour des systèmes dédiés.
La plupart des photo-détecteurs existants associés à un système de traitement de l'information permettent d'analyser la variation de l'amplitude du signal lumineux reçu et d'en déduire l'information transmise. La plupart des surfaces photovoltaïques sont aussi des photorécepteurs qui restituent les variations du signal optique reçu en variations du signal électrique généré.
D'une manière générale, les systèmes de réception LiFi reçoivent les lumières issues de toutes les directions de l'espace sans distinction, qu'il s'agisse de la lumière ambiante ou de la lumière modulée émise par les LEDs d'un émetteur LiFi. Mais un problème technique se pose alors car la plupart des photorécepteurs connus sont très sensibles à la lumière ambiante et saturent rapidement en présence d'un fort flux lumineux ambiant. De ce fait, ils ne permettent plus de retranscrire la variation de l'intensité lumineuse du signal LiFi lorsque la saturation s'installe. Ces photorécepteurs restent de très bons récepteurs tant que le flux LiFi n'est pas trop élevé (<5000 Lux) mais leurs performances en terme de vitesse de transmission (débit) décroissent rapidement au-dessus de 5000 Lux, ce qui nécessite la mise en œuvre de moyens de traitement de l'information et d'un calibrage automatique récurrent du canal de communication à partir de techniques d'apprentissage et d'adaptation dont les performances finales restent très limitées.
Une solution pour remédier à ce problème est, au niveau du détecteur, de « discriminer » la lumière issue des LEDs LiFi des autres sources de lumière ambiante afin d'augmenter le rapport signal/bruit du signal LiFi et par voie de conséquence d'augmenter et de stabiliser le débit de transmission. Des solutions de « discrimination » existent qui utilisent des lentilles, éventuellement des lentilles de Fresnel ou des éléments diffractifs optiques, qui concentrent la lumière codée issue des LEDs sur le photorécepteur afin d'augmenter le rapport signal/bruit du signal LiFi. Mais ces solutions « avec lentilles » obligent le photorécepteur à ne recevoir le signal codé qu'en provenance d'une seule direction, ce qui limite les applications à des dispositifs qui restent fixes.
Or il a été constaté par des essais empiriques que la sensibilité du rapport SNR se réduit voire disparaît lorsque la résistance de shunt Rsh diminue sensiblement en-dessous de la valeur de résistance de shunt que l'on trouve typiquement dans des cellules photovoltaïques disponibles dans le commerce. Ces cellules ont en général une résistance de shunt de l'ordre de 1500 à 2000 Ω.αη2. Il s'agit d'une résistance de shunt tenant compte de la surface du photorécepteur, et si celui-ci est en matériau photovoltaïque, du pourcentage de surface photovoltaïque. But de l'invention
L'invention a pour but principal d'améliorer le rapport signal/bruit d'une communication LiFi, même lorsque le photorécepteur reçoit en même temps une lumière ambiante non codée qui positionne ledit récepteur dans une plage de luminosité bien supérieure à 5000 Lux. Malgré cette réception d'une lumière intense, ledit photorécepteur devra maintenir sensiblement constant le SNR (rapport signal/bruit) même dans le cas de fortes variations de la luminosité ambiante. Le dispositif mettant en œuvre l'invention sera alors compatible avec des moyens de communication mobiles comme les téléphones portables, les GPS, les tablettes d'ordinateurs et d'une manière générale avec des dispositifs de communication LiFi placés dans tous types de véhicules de transport.
Dans le terme « rapport signal sur bruit » au sens de la présente invention, on définit le mot « bruit » par un bruit électronique associé au système de réception incluant le bruit électrique intrinsèque au photorécepteur. Ce bruit existe en l'absence de lumière non codée. On connaît le bruit "shot" ou bruit de grenaille (présent dans tout circuit électrique où le transfert d'énergie est décrit par des phénomènes quantiques), le bruit lié au courant dans une diode qui est dû à l'émission aléatoire des électrons par effet thermo-ionique et qui prend en particulier naissance dans la résistance de charge, le bruit photonique dû à la nature corpusculaire du rayonnement électromagnétique, et le bruit de Johnson ou bruit thermique dû aux mouvements aléatoires des charges engendrées par la température.
Afin d'atteindre ce but d'amélioration du rapport signal/bruit, il va falloir concevoir des photo détecteurs ayant une résistance de shunt Rsh inférieure aux valeurs habituelles que l'on trouve dans les photo détecteurs connus.
Résumé de l'invention
L'invention a pour objet un dispositif de communication par lumière codée dont la communication présente un rapport signal sur bruit initial noté SNR1 variable en fonction des conditions d'éclairage, ce dispositif comprenant au moins un récepteur de lumière de type photorécepteur comportant une anode et une cathode et présentant une résistance de shunt initiale de valeur Rsh1 , ce récepteur étant susceptible d'être exposé simultanément à une source de lumière codée porteuse d'un signal et à une source de lumière non codée, caractérisé en ce que lesdites anode et cathode sont court-circuitées par au moins une résistance de court-circuit Rp aménagée à l'intérieur du photorécepteur, de valeur Rsh2 choisie de manière que la nouvelle valeur de la résistance de shunt dudit photorécepteur notée Rsh3 et résultant de la connexion de la résistance de shunt initiale Rsh1 et de la résistance de court-circuit Rp confère au dispositif de communication un nouveau rapport signal sur bruit résultant SNR2 qui reste sensiblement indépendant de l'intensité de ladite lumière non codée.
Afin d'atteindre un rapport SNR qui reste sensiblement stable même lorsque l'intensité de la lumière non codée (par exemple la lumière ambiante) augmente, l'invention prévoit de choisir une résistance de shunt Rp de façon que la résistance de shunt équivalente Rsh3 (constituée des résistances Rsh1 et Rsh2 en parallèle) soit inférieure à une valeur seuil prédéterminée.
Des tests ont montré que la valeur seuil prédéterminée de la résistance de shunt équivalente Rsh3 tenant compte de la surface active du photo détecteur et du pourcentage de surface photovoltaïque (dans le cas d'un photo détecteur carré à base de matériau photovoltaïque) soit inférieure à une valeur de l'ordre de 1000 Q.cm2. Autrement dit, si le photo détecteur était une cellule photovoltaïque carrée d'une surface de 1 cm2, elle devra avoir une résistance de shunt équivalente inférieure à 1000 Ω. Le seuil de résistance de shunt cible pourra donc être calculé pour une cellule photovoltaïque donnée, en fonction de sa surface et de son pourcentage de couverture en matériau photovoltaïque.
La source de lumière codée peut être codée soit en amplitude ou en phase dans le cas d'une source cohérente, soit par la variation de son intensité lumineuse dans le cas d'une source incohérente.
La plupart des photorécepteurs (non photovoltaïques) connus sont très sensibles à la lumière ambiante, et saturent rapidement en présence d'un fort flux lumineux ambiant. De ce fait, ils ne permettent pas de retranscrire la variation de l'intensité lumineuse du signal LiFi lorsque la saturation s'installe. Néanmoins, ces photorécepteurs connus sont souvent de très bons récepteurs tant que le flux LiFi n'est pas trop élevé (<5000 Lux).
Le dispositif selon l'invention comprend un photorécepteur qui peut être un module composé d'au moins une cellule photovoltaïque qui génère une tension électrique significative à partir d'un rayonnement lumineux, et qui permet de réceptionner un signal LiFi même dans un environnement à fort flux lumineux ambiant, et cela sans que le phénomène de saturation précité ne s'installe. Ledit module photovoltaïque est capable de réceptionner un signal LiFi issu d'une source LiFi placée à l'extérieur en présence d'un rayonnement solaire sans engendrer de perturbation au niveau de la réception, contrairement aux autres photorécepteurs. En effet ledit dispositif présente une caractéristique particulière qui est que pour un niveau d'éclairement LiFi donné, il existe une valeur de résistance interne (résistance de shunt Rsh2) dudit module qui stabilise le SNR et rend la photo-détection insensible à l'augmentation du flux lumineux ambiant.
Le photorécepteur selon l'invention présente la caractéristique d'un rapport signal sur bruit stable (SNR1 sensiblement égal à SNR2). Pour un niveau de Lux LiFi donné, lorsqu'on augmente ou diminue le niveau de Lux ambiant dans une gamme de niveaux d'éclairement définie (fonction desdits récepteurs photovoltaïques), le SNR varie peu selon la bande de fréquences utile, c'est-à- dire que les variations du niveau de SNR dans la bande de fréquences donnée restent inférieures à 5%.
En conséquence, le récepteur optique photovoltaïque, qui fait partie de l'invention, permet d'optimiser la communication optique indépendamment de l'environnement lumineux ambiant. Ledit récepteur photovoltaïque fonctionne sans détérioration de la communication, c'est-à-dire sans baisse de débit, lorsqu'il travaille en faible lumière ambiante (c'est le cas d'un environnement intérieur par exemple de l'ordre de 400 Lux LiFi) ou en forte lumière ambiante (environnement extérieur, par exemple de l'ordre de 50 000 Lux).
La stabilité du SNR du dispositif facilite la mise en œuvre des moyens de traitement de l'information, permet de s'affranchir d'un calibrage automatique récurrent et donc de techniques d'apprentissage de canal et d'adaptation de canal. Le moyen de traitement de l'information peut alors s'affranchir de l'étape d'adaptation de canal.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le photorécepteur est une cellule photovoltaïque de tout type comme par exemple une cellule de type silicium cristallin, ou silicium amorphe ou un empilement de couches minces photosensibles. La structure interne de la cellule photovoltaïque peut être très diverse, mais dans tous les cas la résistance interne de shunt (Rsh1 ) reste une caractéristique intrinsèque à chaque cellule. C'est cette résistance de shunt initiale (Rsh1 ) qui est abaissée vers une nouvelle valeur inférieure (Rsh3) par un shunt (Rsh2) comme le prévoit la présente invention.
Selon un autre mode de réalisation particulier, ledit photorécepteur est semi-transparent et est composé d'un réseau de cellules photovoltaïques selon les caractéristiques de l'invention, ces cellules étant espacées les unes des autres par des zones de transparence. La taille desdites cellules peut être inférieure à 100 microns ce qui rend ledit récepteur semi-transparent et d'apparence uniforme sans que le pouvoir séparateur de l'oeil ne permette de distinguer les cellules individuellement.
Dans le mode de réalisation précédent, toutes les cellules photovoltaïques ont leur résistance de shunt Rsh1 qui a été abaissée par un shunt Rsh2 afin d'optimiser les performances de réception et de vitesse de transmission de l'information LiFi notamment en lumière intense. Pour réaliser cette adaptation de shunt, il est possible de limiter le nombre de cellules « shuntées » afin de s'approcher de la valeur idéale de fonctionnement. Pour cela la résistance de court-circuit Rp n'est positionnée que sur une proportion P% de cellules photovoltaïques dudit réseau de cellules de sorte que la résistance de shunt globale (Rsh3) du photorécepteur sera en rapport avec cette dite proportion de P%.
La réalisation dudit court-circuit de valeur Rp entre la cathode et l'anode des cellules peut se faire de différentes manières, selon les types de cellules utilisés, notamment cette jonction électrique peut être de type filaire ou de type surface imprimée, et peut être composée de tous types de matériaux conducteurs ou semi-conducteurs.
Dans d'autres modes de réalisation, ledit dispositif de communication reçoit également de la lumière ambiante non codée qui peut être de la lumière naturelle (solaire) ou une lumière artificielle issue de tous types de lampe comme par exemple des LED ("Light Emissive Diode"), des tubes Fluorescents, des lampes à incandescence ou à vapeur de Sodium.
Afin d'augmenter l'intensité de la lumière codée qui est reçue par ledit récepteur, un mode particulier de réalisation (non illustré) comprend des lentilles optiques convergentes ou des éléments diffractifs par exemple permettant de concentrer la lumière entre la source de la lumière codée et la surface active dudit photorécepteur.
Dans un autre mode de réalisation, les lentilles ou éléments optiques diffractifs sont positionnés entre les cellules photovoltaïques et une image électronique placée derrière le photorécepteur qui est semi-transparent. Les lentilles, dans ce mode particulier de réalisation, concentrent la lumière des images électroniques au travers des espaces de transparence situés entre les cellules, ce qui rend l'image visible au travers dudit photorécepteur.
Comme ledit dispositif de communication par lumière codée est apte à fonctionner en lumière solaire extérieure, la présente invention a également pour objet tous types d'appareils mobiles qui intègrent le dispositif de communication selon l'invention, comme par exemple les téléphones portables ou les GPS (Sigle de "Global Positioning System").
Comme ledit dispositif de communication par lumière codée est apte à fonctionner avec un récepteur semi-transparent, la présente invention a également pour objet tous types de surfaces semi-transparentes qui intègrent le dispositif de communication selon l'invention, comme par exemple les vitres pour tous les types de bâtiments, les vitres pour tous les types de véhicules de transport ou pour tous les types d'écrans à affichage électronique. Description détaillée
L'invention sera mieux comprise à l'aide de sa description détaillée, en relation avec les figures 1 à 8 annexées.
La figure 1 représente les différents composants du dispositif de communication
La figure 2 est une représentation modélisée sous forme de schéma électrique équivalent du comportement d'un photorécepteur classique.
La figure 3 est une représentation modélisée sous forme de schéma électrique équivalent du comportement du photorécepteur selon l'invention.
La figure 4 est un graphique qui met en évidence l'atténuation du signal LiFi d'un photorécepteur classique en présence d'une lumière ambiante intense.
La figure 5 est un graphique qui représente la diminution du SNR d'un photorécepteur classique en présence d'une lumière intense.
La figure 6 est un graphique qui montre la stabilité du SNR même en présence de différentes lumières ambiantes intenses dans le cas d'un photorécepteur selon l'invention.
La figure 7 est une représentation schématique en trois dimensions d'une cellule photovoltaïque en silicium cristallin et de la position d'un court-circuit selon l'invention.
La figure 8 est une représentation schématique en trois dimensions d'une cellule photovoltaïque en silicium amorphe (couche mince) et de la position d'un court-circuit selon l'invention.
En référence à la Figure 1 , le dispositif de communication par lumière codée selon l'invention comprend :
- un récepteur de lumière de type photorécepteur (2) dont la valeur de sa résistance de shunt est diminuée par la pose d'un court-circuit (6) de résistance non nulle entre son anode (5) et sa cathode (4).
- une source de lumière (1 ) codée porteuse d'un signal.
- une source de lumière non codée (3) dont une partie de sa lumière éclaire ledit photorécepteur (2), cette lumière non codée (3) peut être de la lumière solaire naturelle ou une lumière artificielle.
Le photorécepteur (2) reçoit donc à la fois de la lumière codée (1 ) et de la lumière non codée (3). On peut montrer que la qualité de la réception du signal dépend de plusieurs facteurs dont le rapport entre l'intensité du signal et l'intensité de la lumière non codée (3), et d'une manière plus générale entre l'intensité du signal et l'intensité du « bruit » de fond qui peut être de nature électronique et/ou optique. Le SNR d'une communication (rapport signal sur bruit) est représentatif de la qualité de la communication et de ses limites notamment en terme de débit de transmission.
Les figures 2 et 3 sont des représentations modélisées d'un photorécepteur.
La figure 2 représente la modélisation sous forme de schéma électrique équivalent d'un photorécepteur classique qui se comporte comme la mise en parallèle d'un générateur d'électricité (7), d'une diode (8) et d'une résistance de shunt (Rsh1) qui est intrinsèque au composant. Une résistance série (Rs) met ledit photorécepteur en connexion avec une charge résistive externe (Rc) aux bornes de laquelle apparaît une différence de potentiel (U) qui est proportionnelle à l'intensité lumineuse globale (1 et 3) reçue par le photorécepteur (2).
La figure 3 représente la modélisation sous forme de schéma électrique équivalent d'un photorécepteur selon l'invention qui comprend, en plus des éléments classiques d'un photorécepteur (Figure 2), un court-circuit Rp de résistance non nulle (Rsh2) positionné en parallèle de la résistance de shunt (Rsh1 ) du photorécepteur. Le résultat de ce court-circuit est qu'il abaisse la résistance de shunt globale (notée Rsh3) du photorécepteur (2).
La figure 4 représente la variation de l'intensité d'un signal reçu par un photorécepteur classique en fonction de sa fréquence d'émission (jusqu'à 1.4 Méga Hertz) dans le cas (courbe 9) d'une réception d'une lumière LiFi émise à 6600 Lux, sans lumière non codée, et dans le cas (courbe 10) d'une réception de la même lumière codée LiFi à 6600 Lux mais avec en plus une lumière non codée de 36000 Lux. On remarque bien une atténuation générale du signal LiFi due à la présence (réception complémentaire) d'une lumière ambiante non codée (3).
La figure 5 reprend le même mode opératoire que celui de la figure 4, c'est-à-dire une réception LiFi à 6600 Lux (courbe 1 1 ) et une réception LiFi à 6600 Lux plus une lumière ambiante de 36000 Lux (courbe 12) sur un photorécepteur classique. Les deux courbes 1 1 et 12 représentent la variation du SNR (dB) en fonction de la fréquence de transmission (jusqu'à 1 .4 Méga Hertz). Comme dans le cas de la figure 4, on remarque bien une atténuation de la qualité de la transmission lors de la présence (réception complémentaire) d'une lumière ambiante non codée (3).
La figure 6 contient quatre courbes (13,14,15,16) représentatives de l'évolution du SNR
(dB) en fonction de la fréquence de transmission (jusqu'à 5.5 Méga Hertz) et en fonction de quatre niveaux d'éclairement complémentaire reçus par un photorécepteur (2) selon l'invention, c'est-à- dire un photorécepteur dont la résistance de shunt a été abaissée par un court-circuit résistif d'une valeur non nulle. La valeur de l'intensité du flux LiFi est identique pour les quatre courbes et vaux 750 Lux. La valeur de l'intensité lumineuse non codée (3) complémentaire pour chaque courbe est la suivante : courbe 13 = 0 Lux ; courbe 14 = 6000 Lux ; courbe 15 = 17000 Lux; courbe 16 = 32000 Lux.
On remarque alors que contrairement aux figures 4 et 5 précédentes, les courbes 13, 14, 15 et 16 ont sensiblement la même forme et la même amplitude, ce qui signifie qu'on est en présence d'un SNR stable quelle que soit l'intensité de la lumière non codée (3) qui vient s'ajouter à la lumière codée LiFi.
La figure 7 représente une cellule photovoltaïque (C1 ) utilisée comme photorécepteur (2) dans le dispositif de communication selon l'invention. La cellule photovoltaïque (C1) est composée d'une feuille de silicium cristallin dopé (17) sur une face de laquelle est déposée une grille de collecte électronique (anode, 18) et sur l'autre face de laquelle est déposée une couche mince d'aluminium (19) qui fait office de cathode pour la cellule (C1). Entre les deux faces (18 et19) est créé un court-circuit (20) résistif qui abaisse la valeur de la résistance de shunt de la cellule photovoltaïque (C1 ). Ce court-circuit (20) peut être réalisé de différentes manières, comme par exemple : réaliser une ou plusieurs jonctions filaires de faible diamètre entre l'anode et la cathode en périphérie de la cellule (sur les bords), ou bien réaliser le perçage d'un ou plusieurs trous ou vias (20b) au travers de la cellule par un procédé Laser qui permet de déposer sur les parois du trou un matériau conducteur qui crée une conduction électrique entre l'anode et la cathode.
La figure 8 représente un module photovoltaïque (C2) utilisé comme photorécepteur (2) dans le dispositif de communication selon l'invention. Ledit module photovoltaïque C2 est composé d'un substrat transparent (25), de préférence en verre, sur lequel est déposée une couche mince transparente conductrice de ZnO (22), puis sur celle-ci une couche mince active de silicium amorphe (23), puis enfin sur celle-ci une couche mince d'aluminium (24). Ledit module est structuré par un faisceau Laser de manière à créer par ablation un réseau de zones de transparence (21 a, 21 b) et un réseau de cellules (S1 , S2, S3) interconnectées électriquement entre elles en mode série grâce à des séparations (P1 ) à la surface de l'anode, des séparations (P3) à la surface de la cathode, et des jonctions électriques (P2) entre l'anode et la cathode au niveau de deux cellules contiguës. Cette structure, connue de l'homme de métier, fait apparaître pour chaque cellule (S1 , S2, S3) dudit module photovoltaïque (C2) une résistance de shunt interne (non illustrée) sensiblement égale pour toutes lesdites cellules. Afin d'optimiser ce photorécepteur pour la communication en mode LiFi et en extérieur, c'est-à-dire en présence d'une lumière solaire, certaines cellules contiguës sont court-circuitées (par exemple S1 et S2) par un court- circuit (26) entre les deux anodes ou entre les deux cathodes desdites cellules (S1 , S2) de manière à faire baisser la résistance de shunt globale du module photovoltaïque.
En effet, comme les cellules sont couplées en mode série, la résistance de shunt dudit module est la somme des résistances de shunt de toutes les cellules individuelles et le fait de baisser la résistance de shunt d'un certain pourcentage desdites cellules, fait baisser la résistance de shunt dudit module du même pourcentage. Les court-circuits peuvent être réalisés par exemple en faisant fondre localement la couche mince d'aluminium (24) au niveau d'un certain nombre de séparations entre cathodes (P3) par exemple en utilisant les propriétés d'un faisceau Laser thermique. Avantages de l'invention
En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant de stabiliser le rapport signal/bruit (SNR) d'un dispositif de communication par lumière codée (LiFi), même lorsque le photorécepteur de ce dispositif reçoit en même temps une lumière ambiante non codée dont la luminosité est supérieure à 5000 Lux, ce qui rend alors le dispositif compatible avec des moyens de communication mobiles en extérieur comme les téléphones portables, les GPS, les tablettes d'ordinateurs et d'une manière générale avec tous les types de véhicules de transport.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif de communication par lumière codée dont la communication présente un rapport signal sur bruit initial noté SNR1 variable en fonction des conditions d'éclairage, ce dispositif comprenant au moins un récepteur de lumière de type photorécepteur (2) comportant une anode (18 ou 22) et une cathode (19 ou 24) et présentant une résistance de shunt initiale de valeur Rsh1 , ce récepteur étant susceptible d'être exposé simultanément à une source de lumière (1) codée porteuse d'un signal et à une source de lumière non codée (3),
caractérisé en ce que lesdites anode (18 ou 22) et cathode (19 ou 24) sont court-circuitées par au moins une résistance de court-circuit Rp (20 ou 26) aménagée à l'intérieur du photorécepteur (2), de valeur Rsh2 choisie de manière que la nouvelle valeur de la résistance de shunt dudit photorécepteur (2,C1 ,C2) notée Rsh3 et résultant de la connexion de la résistance de shunt initiale Rsh1 et de la résistance de court-circuit Rp (20 ou 26) confère au dispositif de communication un nouveau rapport signal sur bruit résultant SNR2 qui reste sensiblement indépendant de l'intensité de ladite lumière non codée (3). 2 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la résistance de shunt Rp est choisie pour que la résistance de shunt équivalente Rsh3 soit inférieure à une valeur seuil prédéterminée.
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur seuil prédéterminée de la résistance de shunt équivalente Rsh3 soit de l'ordre de 1000 Ω.αη2.
4 - Dispositif de communication par lumière codée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite source de lumière (1) codée est codée soit en amplitude ou en phase dans le cas d'une source cohérente, soit par la variation de son intensité lumineuse dans le cas d'une source incohérente.
5 - Dispositif de communication par lumière codée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit photorécepteur (2) est une cellule photovoltaïque (C1 ou C2) qui peut être de tous types, par exemple de type silicium cristallin, ou silicium amorphe ou un empilement de couches minces photosensibles.
6 - Dispositif de communication par lumière codée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit photorécepteur (2) est semi-transparent (C2) et est composé d'un réseau de cellules photovoltaïques (S1 ,S2,S3) espacées par des zones de transparence (21 a,21 b). " 7 - Dispositif de communication par lumière codée selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite résistance de court-circuit Rp (26) n'est positionnée que sur une proportion de P% des cellules photovoltaïques (S1 ,S2) dudit réseau de cellules, de sorte que la résistance de shunt globale du photo détecteur (C2) est en rapport avec cette dite proportion P%.
8 - Dispositif de communication par lumière codée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résistance de court-circuit Rp est une jonction de type filaire ou une surface imprimée, ladite jonction étant composée de tous types de matériaux conducteurs ou semi-conducteurs.
9 - Dispositif de communication par lumière codée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lumière non codée (3) est la lumière naturelle du soleil ou une lumière artificielle issue de tous types de lampe comme par exemple des LED (Light Emissive Diode), des tubes Fluorescents, des lampes à incandescence, ou à vapeur de Sodium.
10 - Dispositif de communication par lumière codée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit photorécepteur (2) comprend en outre au moins une lentille optique ou un élément optique diffractif ou non, apte à concentrer un rayonnement lumineux sur ou entre des surfaces actives dudit photorécepteur (2)
11 - Appareil , caractérisé en ce qu'il intègre un dispositif de communication par lumière codée selon l'une quelconque des revendications précédentes, comme par exemple un téléphone portable ou un dispositif GPS.
12 - Surface semi-transparente, caractérisée en ce qu'elle intègre un dispositif de communication selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comme par exemple une vitre pour bâtiment, une vitre de véhicule de transport, ou tout type d'écran à affichage électronique.
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