Aunque las células solares generalmente están diseñadas para convertir la luz en energía, los investigadores han demostrado que también se pueden usar para lograr una comunicación óptica inalámbrica submarina con altas velocidades de datos. El nuevo enfoque, que utilizó una matriz de células solares conectadas en serie como detectores, podría ofrecer una forma rentable y de bajo consumo de energía para transmitir datos bajo el agua.
En la revista Optics Letters de Optica Publishing Group , el equipo de investigación Jing Xu de la Universidad de Zhejiang en China informa sobre experimentos de laboratorio en los que utilizaron una matriz de células solares disponibles en el mercado para crear un sistema optimizado sin lentes para la detección óptica de alta velocidad bajo el agua. Las celdas solares ofrecen un área de detección mucho más grande que los fotodiodos usados tradicionalmente como detectores en la comunicación óptica inalámbrica.
“Hasta donde sabemos, demostramos el ancho de banda más alto jamás logrado para un sistema de comunicación óptica comercial basado en paneles solares de silicio con un área de detección grande”, dijo Xu. “Este tipo de sistema podría incluso permitir el intercambio de datos y la generación de energía con un solo dispositivo”.
Optimización de las células solares para la comunicación
“Existe una necesidad crítica de una comunicación submarina eficiente para satisfacer las crecientes demandas de intercambio de datos submarinos en las actividades de protección de los océanos en todo el mundo”, explica el líder del equipo de investigación. Por ejemplo, en los esfuerzos de conservación de arrecifes de coral, los enlaces de datos son necesarios para transmitir datos de buzos, submarinos tripulados, sensores submarinos y vehículos submarinos autónomos no tripulados a barcos de superficie que respaldan su trabajo.
En comparación con el uso de ondas acústicas o de radio, la comunicación inalámbrica subacuática basada en la luz exhibe una velocidad más alta, una latencia más baja y requiere menos energía. Sin embargo, la mayoría de los sistemas ópticos de alta velocidad de larga distancia no son prácticos para la implementación bajo el agua porque requieren una alineación estricta entre el transmisor que emite la luz y el receptor que detecta la señal de luz entrante.
Debido a que las células solares detectan la luz de un área grande y la convierten en una señal eléctrica, usarlas como detectores puede facilitar el requisito de alineación del transmisor-receptor en un sistema de comunicación inalámbrico submarino. Sin embargo, ha sido difícil lograr un gran ancho de banda porque las células solares están optimizadas para la recolección de energía en lugar de la comunicación.
“Hasta ahora, lograr enlaces de alta velocidad usando celdas solares de silicio listas para usar ha requerido esquemas y algoritmos de modulación complejos, que necesitan recursos informáticos intensos que usan energía adicional y crean una alta latencia de procesamiento”, dijo Xu.
“Usando el modelado y la simulación de celdas solares conectadas, optimizamos el circuito periférico, lo que mejoró significativamente el rendimiento de nuestro detector basado en celdas solares”.
Pruebas submarinas con las células solares
Los investigadores probaron el nuevo diseño, que utilizó un panel solar de 3×3 para crear un área de detección de 3,4×3,4 centímetros, en un tanque de agua de 7 metros de largo que emulaba un canal submarino. Se utilizaron espejos para ampliar la longitud de la trayectoria de la señal óptica, creando una distancia de transmisión de 35 metros. El sistema mostró estabilidad confiable, bajo consumo de energía y alto rendimiento. A medida que el tamaño de la matriz solar aumenta de 1×1 a 3×3, el ancho de banda de −20 dB aumenta de 4,4 MHz a 24,2 MHz.
Aunque se utilizó un esquema de modulación simple, el nuevo sistema exhibió un ancho de banda de detección mucho más alto, lo que conduce a una tasa de datos más alta, que lo informado en otros estudios que utilizan células solares de silicio comerciales con un área de detección grande como detectores. La aplicación de un voltaje de polarización inversa de 90 V aumentó aún más el ancho de banda, lo que les permitió alcanzar un ancho de banda de −20 dB de 63,4 MHz. Este ancho de banda permitió un enlace óptico inalámbrico submarino de 35 m/150 Mbps utilizando la forma más simple de modulación de modulación por cambio de amplitud.
“Debido a que las células solares se producen en masa, el esquema propuesto es bastante rentable”, dijo Xu. “Más allá del mundo submarino, este tipo de detector también podría usarse en comunicación de luz visible, un tipo de comunicación inalámbrica que usa luz visible de LED y otras fuentes para transmitir datos a distancias”.
Para optimizar el sistema para aplicaciones del mundo real en comunicaciones submarinas, los investigadores planean estudiar a continuación su rendimiento con señales ópticas débiles. Esto mostrará cómo de bien funciona en agua fangosa y con movimiento. También están trabajando para hacer que el sistema sea más práctico mediante el ajuste fino de parámetros clave como la cantidad de celdas solares en la matriz y el voltaje de polarización inversa requerido.
Documento :
Series-connected solar array for high-speed underwater wireless optical links Z. Tong, X. Yang, H. Zhang, Y. Dai, X. Chen, J. Xu, (Dispositivo solar conectado en serie para enlaces ópticos inalámbricos submarinos de alta velocidad), Opt. Letón. , 47, 5, 2022.
DOI: https://doi.org/10.1364/OL.449466
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