সিরিজ-সংযুক্ত আরজিবি এলইডি সহ ফটোট্রানজিস্টর-সদৃশ আইওটি সেন্সর

1. ভূমিকা ও সংক্ষিপ্ত বিবরণ

এই গবেষণাপত্রটি সিরিজ-সংযুক্ত লাল, সবুজ ও নীল (আরজিবি) লাইট-এমিটিং ডায়োড (এলইডি) ভিত্তিক একটি অভিনব ইন্টারনেট অব থিংস (আইওটি) অপটিক্যাল সেন্সর ডিজাইন উপস্থাপন করে। মূল উদ্ভাবনটি এর ফটোট্রানজিস্টর-সদৃশ আচরণে নিহিত, যেখানে সেন্সরের অপটোইলেকট্রিক্যাল প্রতিক্রিয়া বিভিন্ন রঙের আপতিত আলো দ্বারা নিয়ন্ত্রণ বা "প্রোগ্রাম" করা যেতে পারে। এই ডিভাইসটি দৃশ্যমান আলোক যোগাযোগ (ভিএলসি) ব্যবস্থায় প্রেরক ও গ্রাহক উভয় হিসাবে দ্বৈতভাবে কাজ করে, যা আইওটি নেটওয়ার্কের জন্য সিস্টেমের জটিলতা ও খরচ হ্রাস করতে পারে।

2. আরজিবি সেন্সর মডেল ও পরীক্ষামূলক সেটআপ

সেন্সরটি একটি অ্যালইনগাপ লাল এলইডি, একটি ইঙ্গান সবুজ এলইডি এবং একটি গান নীল এলইডিকে সিরিজে সংযুক্ত করে তৈরি করা হয়েছে (লুমিএলইডি রেবেল সিরিজ)। পরীক্ষার সময় সমস্ত এলইডি সমানভাবে আলোকিত করা হয়।

2.1 পরীক্ষামূলক কনফিগারেশন

আরজিবি সেন্সরের আউটপুট একটি ১ মেগাওহম ইনপুট লোড সহ কিইসাইট এমএসওএক্স৬০০৪এ অসিলোস্কোপের সাথে সংযুক্ত। এই সেটআপ বিভিন্ন রঙের আলোর ইনপুটের (লাল, সবুজ, নীল ও মিশ্রণ) প্রতি সেন্সরের প্রতিক্রিয়ার সুনির্দিষ্ট পরিমাপের সুযোগ দেয়।

2.2 এলইডি বৈশিষ্ট্য ও বর্ণালি

গবেষণাপত্রের চিত্র ১(খ) শূন্য বায়াসে প্রতিটি আরজিবি এলইডির জন্য পরিমাপিত নির্গমন বর্ণালি ও আপেক্ষিক অপটোইলেকট্রনিক প্রতিক্রিয়া বর্ণালি বণ্টন দেখায়। সিরিজ সার্কিটের প্রতিটি উপাদানের তরঙ্গদৈর্ঘ্য-নির্ভর আচরণ বোঝার জন্য এই তথ্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

3. মূল প্রযুক্তিগত নীতি ও মডেল

সেন্সরের কার্যকারিতা একটি আলো-নির্ভর প্রতিবন্ধকতা মডেলের মাধ্যমে ব্যাখ্যা করা হয়। আপতিত আলো সিরিজ শৃঙ্খলের পৃথক এলইডিগুলোর কার্যকর প্রতিবন্ধকতা পরিবর্তন করে, যার ফলে সেন্সরের সামগ্রিক কারেন্ট প্রবাহ ও ভোল্টেজ আউটপুট মডুলেট হয়।

3.1 আলো-নির্ভর প্রতিবন্ধকতা মডেল

অপটোইলেকট্রনিক প্রতিক্রিয়া জটিল, যাতে ফটোকন্ডাকটিভ ও ফটোভোলটাইক মোড, সেইসাথে এক্সাইটন বিচ্ছিন্নতা থেকে ফটোকারেন্ট উৎপাদন জড়িত। লোড প্রতিবন্ধকতা যথেষ্ট ছোট হলে মডেলটি এলইডি রিসিভারকে একটি কারেন্ট উৎস হিসেবে বিবেচনা করে।

3.2 ফটোভোলটাইক বনাম ফটোকন্ডাকটিভ মোড

সেন্সর সম্ভবত উভয় মোডই কাজে লাগায়: ফটোভোলটাইক প্রভাব শোষিত ফোটন থেকে ভোল্টেজ/কারেন্ট তৈরি করে, অন্যদিকে ফটোকন্ডাকটিভ প্রভাব সেমিকন্ডাক্টরের পরিবাহিতা পরিবর্তন করে। সিরিজ সংযোগ বিভিন্ন রঙের চ্যানেল জুড়ে এই প্রভাবগুলোর মধ্যে পারস্পরিক নির্ভরতা তৈরি করে।

4. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও কার্যকারিতা

4.1 এসি/ডিসি সংবেদনশীলতা পরিমাপ

সেন্সরটি বেগুনি আলোর প্রতি সর্বোচ্চ এসি ও ডিসি সংবেদনশীলতা প্রদর্শন করে, যা নীল ও লাল আলো মিশিয়ে তৈরি করা হয়। এটি নির্দেশ করে যে একাধিক জাংশন একই সাথে সক্রিয় হলে একটি সমন্বিত প্রভাব দেখা দেয়।

4.2 রঙ-প্রোগ্রামযোগ্য প্রতিক্রিয়া

এটি হল বৈশিষ্ট্যসূচক গুণ:

• নীল এসি আলোর প্রতি সেন্সরের সংবেদনশীলতা লাল বা সবুজ ডিসি আলো আপতিত করে বাড়ানো যেতে পারে।
• লাল এসি সংকেতের প্রতি প্রতিক্রিয়া সবুজ ডিসি আলো দ্বারা দমন করা যেতে পারে।
• সবুজ এসি সংকেতের প্রতি প্রতিক্রিয়া লাল ডিসি আলো দ্বারা দমন করা যেতে পারে।

4.3 মূল কার্যকারিতা মেট্রিক্স

গবেষণাপত্রটি ফসফর-লেপা সাদা এলইডি ভিএলসির জন্য উপযুক্ততা তুলে ধরে। ধীর হলুদ ফসফর নির্গমন উল্লেখযোগ্য হস্তক্ষেপ সৃষ্টি করে না বরং উচ্চ-গতির নীল পাম্প লাইট সংকেতের প্রতি প্রতিক্রিয়া বাড়াতে পারে, যা একটি অন্তর্নির্মিত ফিল্টারিং সুবিধা প্রদান করে।

5. বিশ্লেষকের দৃষ্টিভঙ্গি: মূল অন্তর্দৃষ্টি ও সমালোচনা

মূল অন্তর্দৃষ্টি: এটি শুধু একটি চতুর সার্কিট কৌশল নয়; এটি এলইডিকে একটি বহু-কার্যকরী অপটোইলেকট্রনিক একক কোষ হিসেবে মৌলিকভাবে পুনর্বিবেচনা। লেখকরা সিরিজে বাণিজ্যিক আরজিবি এলইডির অন্তর্নিহিত ফটোভোলটাইক বৈশিষ্ট্য ও বর্ণালি সংবেদনশীলতা কাজে লাগিয়ে কার্যকরভাবে একটি "রঙ-কোডেড অপটোইলেকট্রনিক ট্রানজিস্টর" তৈরি করেছেন। প্রকৃত প্রতিভা হল আলোর রঙকেই নিয়ন্ত্রণ চলক হিসেবে ব্যবহার করা, যা প্রচলিত বৈদ্যুতিক বায়াসিংয়ের বাইরে চলে যায়। এটি নিউরোমরফিক ও ইন-সেন্সর কম্পিউটিং-এর বৃহত্তর প্রবণতার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, যেখানে ডিভাইসগুলি সংবেদনের স্থানেই অ্যানালগ প্রক্রিয়াকরণ সম্পাদন করে, যেমন এমআইটির মাইক্রোসিস্টেমস টেকনোলজি ল্যাবরেটরিজের মতো প্রতিষ্ঠানের দৃষ্টি সেন্সর নিয়ে গবেষণায় দেখা যায়।

যুক্তিগত প্রবাহ: যুক্তিটি মার্জিত: ১) সিরিজ সংযোগ কারেন্টের ধারাবাহিকতা বাধ্যতামূলক করে, ২) প্রতিটি এলইডির প্রতিবন্ধকতা তার নির্দিষ্ট ব্যান্ডগ্যাপে আপতিত ফোটন ফ্লাক্সের একটি অপেক্ষক, ৩) সুতরাং, মোট ভোল্টেজ/কারেন্ট আউটপুট ইনপুট আলোর বর্ণালি গঠনের একটি অ-রৈখিক অপেক্ষকে পরিণত হয়। এটি প্রোগ্রামযোগ্য ট্রান্সফার ফাংশন তৈরি করে। এটি এমন একটি ফাংশনের হার্ডওয়্যার বাস্তবায়ন যা সাধারণত পৃথক সেন্সর, ফিল্টার ও একটি মাইক্রোপ্রসেসরের প্রয়োজন হত।

শক্তি ও দুর্বলতা: শক্তি হল গভীর সরলতা ও খরচ-কার্যকারিতা, সম্পূর্ণরূপে প্রস্তুতকৃত উপাদান ব্যবহার করে অভিনব কার্যকারিতা অর্জন। দ্বৈত ট্রান্সিভার ক্ষমতা আইওটি নোডের ক্ষুদ্রীকরণ ও পাওয়ার বাজেটের জন্য একটি বড় সাফল্য। তবে, চোখে পড়ার মতো দুর্বলতা হল গবেষণাপত্রের গতি ও ব্যান্ডউইথ নিয়ে নীরবতা। ফটোট্রানজিস্টর, যেমন ইঙ্গাস-ভিত্তিক (আইইইই জার্নাল অব কোয়ান্টাম ইলেকট্রনিক্সের কাজ থেকে উদ্ধৃত), গেইনের বিনিময়ে ব্যান্ডউইথ ত্যাগ করে। বিভিন্ন নিয়ন্ত্রণ আলোর অবস্থার অধীনে এই আরজিবি সেন্সরের -৩ডিবি মড্যুলেশন ব্যান্ডউইথ কত? ভিএলসির জন্য, এটি সর্বাধিক গুরুত্বপূর্ণ। তদুপরি, ডিসি আলোর মাধ্যমে "গেইন" নিয়ন্ত্রণের রৈখিকতা ও গতিশীল পরিসীমা অনাবিষ্কৃত কিন্তু ব্যবহারিক যোগাযোগ ব্যবস্থার জন্য সমালোচনামূলক।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: গবেষকদের জন্য: অবিলম্বে ক্ষণস্থায়ী প্রতিক্রিয়া ও শব্দ বৈশিষ্ট্য অনুসন্ধান করুন। এসি আচরণ ভবিষ্যদ্বাণী করতে প্রতিবন্ধকতা মডেলের পরিমার্জন প্রয়োজন। পণ্য বিকাশকারীদের জন্য: এটি কম খরচে, বুদ্ধিমান পরিবেষ্টিত আলো সেন্সরের জন্য একটি সুবর্ণ সুযোগ যা শুধু তীব্রতা নয় বর্ণালি প্রসঙ্গও (যেমন, এই নীল আলোটি স্ক্রিন থেকে নাকি আকাশ থেকে?) বুঝতে পারে। ভিএলসি মানদণ্ড গোষ্ঠীগুলোর (যেমন আইইইই ৮০২.১৫.৭) সাথে অংশীদারিত্ব করে এই রঙ-গেটিং বৈশিষ্ট্য ব্যবহার করে নিয়ন্ত্রণ চ্যানেল প্রোটোকল সংজ্ঞায়িত করুন। ভবিষ্যৎ শুধু সেন্সর তৈরি করায় নয়, বরং এটি যে "রঙ ভাষা" ব্যবহার করে যোগাযোগ ও গণনা করে তা সংজ্ঞায়িত করায়।

6. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক সূত্রায়ন

গবেষণাপত্রটি আলো-নির্ভর প্রতিবন্ধকতার উপর ভিত্তি করে একটি তাত্ত্বিক মডেল বিকশিত করে। আলোকিত অবস্থায় একটি এলইডির কার্যকর প্রতিবন্ধকতাকে ফটোজেনারেটেড কারেন্টের একটি অপেক্ষক হিসেবে উপস্থাপন করা যেতে পারে। একটি সরলীকৃত মডেলের জন্য, সিরিজ সার্কিটের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত কারেন্ট নিম্নরূপ প্রকাশ করা যেতে পারে: $$I = \frac{V_{bias} + \sum_{i=R,G,B} V_{ph,i}}{R_{load} + \sum_{i=R,G,B} Z_i(I_{ph,i})}$$ যেখানে:

• $V_{bias}$ হল প্রয়োগকৃত যেকোনো বায়াস ভোল্টেজ (ফটোভোলটাইক মোডে সম্ভবত শূন্য)।
• $V_{ph,i}$ হল i-তম এলইডি (লাল, সবুজ, নীল) দ্বারা উৎপন্ন ফটোভোল্টেজ।
• $R_{load}$ হল লোড রেজিস্ট্যান্স (১ মেগাওহম)।
• $Z_i(I_{ph,i})$ হল i-তম এলইডির জটিল প্রতিবন্ধকতা, যা তার ফটোজেনারেটেড কারেন্ট $I_{ph,i}$-এর একটি অপেক্ষক। $I_{ph,i}$ নিজেই সেই এলইডির শোষণ ব্যান্ডের মধ্যে তরঙ্গদৈর্ঘ্যে আপতিত অপটিক্যাল পাওয়ারের উপর নির্ভর করে।

7. বিশ্লেষণ কাঠামো ও ধারণাগত কেস স্টাডি

অপটোইলেকট্রনিক বহু-কার্যকারিতা মূল্যায়নের কাঠামো:

1. কার্য সংহতকরণ: ডিভাইসটি কি একই ভৌত সত্তায় সংবেদন, মড্যুলেশন ও নিয়ন্ত্রণ একত্রিত করে? (এই সেন্সর উচ্চ স্কোর করে)।
2. নিয়ন্ত্রণ মাত্রা: প্রতিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের জন্য স্বাধীন চলক কী? (বৈদ্যুতিক বায়াস, তরঙ্গদৈর্ঘ্য, তীব্রতা, পোলারাইজেশন)। এখানে, এটি তরঙ্গদৈর্ঘ্য/রঙ।
3. অ-রৈখিকতা ও গেইন: ইনপুট-আউটপুট সম্পর্ক কি রৈখিক? কার্যকর গেইন কত? (এই ডিভাইস স্পষ্ট অ-রৈখিক, সমন্বয়যোগ্য গেইন দেখায়)।
4. সিস্টেম-স্তরের প্রভাব: এটি কীভাবে বাহ্যিক উপাদান (ফিল্টার, অ্যামপ্লিফায়ার, পৃথক ট্রান্সিভার) হ্রাস করে?

• ভূমিকা ১ (গ্রাহক): এটি ওভারহেড এলইডি লাইট থেকে উচ্চ-গতির নীল ডেটা গ্রহণ করে (ভিএলসি ডাউনলিংক)। একটি স্থির পরিবেষ্টিত লাল আলো (একটি নিরাপত্তা বীকন থেকে) একই সাথে উপস্থিত থাকে, যা গবেষণাপত্র দেখায় যে নীল সংকেত গ্রহণ বাড়াতে পারে।
• ভূমিকা ২ (প্রেরক): একই নোড স্ট্যাটাস ডেটা ফেরত পাঠানোর জন্য (আপলিংক) তার নিজস্ব লাল এলইডি মডুলেট করে। প্রাপ্ত সবুজ আলো (একটি প্রস্থান চিহ্ন থেকে) অন্যান্য নোডের লাল সংকেত থেকে ক্রস-টক দমনে ব্যবহার করা যেতে পারে।
• ভূমিকা ৩ (সেন্সর): প্রাপ্ত আরজিবি আলোর ডিসি স্তরগুলি পরিবেশগত পর্যবেক্ষণের জন্য পরিবেষ্টিত রঙের তাপমাত্রা ডেটা সরবরাহ করে।

8. প্রয়োগের সম্ভাবনা ও ভবিষ্যৎ দিকনির্দেশনা

তাত্ক্ষণিক প্রয়োগ:

• সরলীকৃত ভিএলসি আইওটি নোড: স্মার্ট ভবন, শিল্প আইওটি ও পানির নিচের যোগাযোগের জন্য সেন্সর নেটওয়ার্কের জন্য অতি-কমপ্যাক্ট, কম খরচের ট্রান্সিভার সক্ষম করে।
• রঙ-বৈষম্যমূলক আলো সেন্সর: সহজ তীব্রতার বাইরে, অভিযোজিত আলোক ব্যবস্থা, ডিসপ্লে ক্রমাঙ্কন বা কৃষি পর্যবেক্ষণের জন্য।

• ব্যান্ডউইথ অপ্টিমাইজেশন: ক্ষণস্থায়ী প্রতিক্রিয়া চিহ্নিত ও প্রকৌশলগতভাবে উন্নত করুন। দ্রুত প্রতিক্রিয়া সময়ের জন্য বিভিন্ন সেমিকন্ডাক্টর উপাদান (যেমন, পারভস্কাইট) অন্বেষণ করুন।
• সমন্বিত নকশা: পৃথক আরজিবি এলইডি থেকে অপ্টিমাইজড বর্ণালি ফিল্টার ও আন্তঃসংযোগ সহ একটি একক, বহু-জাংশন চিপে যান।
• নিউরোমরফিক সংবেদন: রঙ-গেটিং আচরণ সিন্যাপটিক ওয়েটিং-এর কথা স্মরণ করিয়ে দেয়। এই ধরনের সেন্সরের অ্যারে প্রান্তে প্রাথমিক বর্ণালি প্রাক-প্রক্রিয়াকরণ বা প্যাটার্ন শনাক্তকরণ করতে পারে কি?
• মানকীকরণ: মড্যুলেশন ও কোডিং স্কিম বিকশিত করুন যা নিরাপদ বা বহু-চ্যানেল যোগাযোগের জন্য রঙ-নির্ভর গেইন কন্ট্রোল স্পষ্টভাবে কাজে লাগায়, যেমন অপটিক্যাল ডোমেন মাল্টিপল অ্যাক্সেসে সাম্প্রতিক কাজ দ্বারা প্রস্তাবিত।
• শক্তি আহরণ সংহতকরণ: ফটোভোলটাইক শক্তি আহরণ ক্ষমতাকে যোগাযোগ ফাংশনের সাথে একত্রিত করুন আইএসএসসিসি-এর মতো সম্মেলনে উপস্থাপিত সিএমওএস শক্তি-আহরণ সেন্সর নিয়ে গবেষণার পথ অনুসরণ করে সত্যিকারের স্ব-শক্তিসম্পন্ন আইওটি নোডের জন্য।

9. তথ্যসূত্র

1. লি, এস., লিয়াং, এস., এবং জু, জেড. (২০১৮)। সিরিজ-সংযুক্ত আরজিবি এলইডি ভিত্তিক ফটোট্রানজিস্টর-সদৃশ আলো নিয়ন্ত্রণযোগ্য আইওটি সেন্সর। arXiv:1810.08789।
2. আইইইই স্ট্যান্ডার্ড ফর লোকাল অ্যান্ড মেট্রোপলিটন এরিয়া নেটওয়ার্কস–পার্ট ১৫.৭: শর্ট-রেঞ্জ ওয়্যারলেস অপটিক্যাল কমিউনিকেশন ইউজিং ভিজিবল লাইট। আইইইই স্ট্যান্ডার্ড ৮০২.১৫.৭-২০১৮।
3. ইসমাইল, টি., এবং অন্যান্য। (২০২১)। আইওটির জন্য বহু-কার্যকরী ডিভাইস হিসেবে সিএমওএস ইমেজ সেন্সর: একটি পর্যালোচনা। আইইইই ট্রানজেকশনস অন সার্কিটস অ্যান্ড সিস্টেমস I।
4. ঝু, জে., এবং অন্যান্য। (২০১৭)। উচ্চ-গতির লাইটওয়েভ যোগাযোগের জন্য ইঙ্গাস/ইনপি ফটোট্রানজিস্টর। আইইইই জার্নাল অব কোয়ান্টাম ইলেকট্রনিক্স।
5. এমআইটি মাইক্রোসিস্টেমস টেকনোলজি ল্যাবরেটরিজ। (২০২৩)। নিউরোমরফিক ভিশন সেন্সর নিয়ে গবেষণা। [অনলাইন]। উপলব্ধ: https://www.mtl.mit.edu
6. ইন্টারন্যাশনাল সলিড-স্টেট সার্কিটস কনফারেন্স (আইএসএসসিসি)। (২০২২)। শক্তি-আহরণ সেন্সর ইন্টারফেসে অগ্রগতি।