1. परिचय एवं अवलोकन

यह पेपर IoT के लिए एक नए प्रकार के ऑप्टिकल सेंसर डिज़ाइन का प्रस्ताव करता है, जो लाल, हरे और नीले रंग के एलईडी को श्रृंखला में जोड़ने पर आधारित है। इसकी मुख्य नवीनता इसकेफोटोट्रांजिस्टर-जैसे व्यवहारअर्थात्, सेंसर की फोटोइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया को विभिन्न रंगों के आपतित प्रकाश द्वारा नियंत्रित या "प्रोग्राम" किया जा सकता है। यह उपकरण दृश्य प्रकाश संचार प्रणाली में ट्रांसमीटर और रिसीवर दोनों के कार्यों को संयोजित करता है, जिससे IoT नेटवर्क की प्रणाली जटिलता और लागत को कम करने की संभावना है।

अधिकतम प्रतिक्रियाशीलता

बैंगनी प्रकाश (नीला + लाल)

पीक एसी/डीसी प्रतिक्रिया

प्रमुख विशेषताएँ

ऑप्टिकली प्रोग्रामेबल

प्रतिक्रिया आपतित प्रकाश के रंग द्वारा नियंत्रित होती है

मुख्य अनुप्रयोग

इंटरनेट ऑफ थिंग्स विजिबल लाइट कम्युनिकेशन

ट्रांसीवर फ़ंक्शन

2. RGB सेंसर मॉडल एवं प्रायोगिक व्यवस्था

यह सेंसर श्रृंखला में जुड़े AlInGaP रेड एलईडी, InGaN ग्रीन एलईडी और GaN ब्लू एलईडी से बना है। प्रयोग के दौरान, सभी एलईडी को समान रूप से प्रकाशित किया गया था।

2.1 प्रयोगात्मक कॉन्फ़िगरेशन

RGB सेंसर का आउटपुट एक Keysight MSOX6004A ऑसिलोस्कोप से जुड़ा है जिसका इनपुट लोड 1 MΩ है। यह सेटअप सेंसर की विभिन्न रंगीन प्रकाश इनपुट (लाल, हरा, नीला और उनके मिश्रित प्रकाश) के प्रति प्रतिक्रिया को सटीक रूप से मापने में सक्षम है।

2.2 LED विशेषताएँ और स्पेक्ट्रम

पेपर में चित्र 1(b) शून्य बायस पर प्रत्येक RGB LED के मापित उत्सर्जन स्पेक्ट्रा और सापेक्ष फोटो-प्रतिक्रिया स्पेक्ट्रल वितरण को दर्शाता है। ये डेटा श्रृंखला सर्किट में प्रत्येक घटक के तरंगदैर्ध्य-संबंधित व्यवहार को समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं।

3. कोर टेक्नोलॉजी सिद्धांत और मॉडल

इस सेंसर का संचालनलाइट-डिपेंडेंट इम्पीडेंस मॉडलसमझाने के लिए। आपतित प्रकाश श्रृंखला में प्रत्येक एलईडी की प्रभावी प्रतिबाधा को बदल देता है, जिससे सेंसर का कुल धारा और वोल्टेज आउटपुट मॉड्यूलेट होता है।

3.1 लाइट-डिपेंडेंट इम्पीडेंस मॉडल

फोटोइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया जटिल है, जिसमें फोटोकंडक्टिव और फोटोवोल्टाइक मोड, साथ ही एक्साइटन डिसोसिएशन से उत्पन्न फोटोकरंट शामिल हैं। जब लोड प्रतिबाधा पर्याप्त रूप से छोटी होती है, तो यह मॉडल एलईडी रिसीवर को एक करंट स्रोत के रूप में मानता है।

3.2 फोटोवोल्टिक मोड और फोटोकंडक्टिव मोड

यह सेंसर संभवतः इन दोनों मोड का एक साथ उपयोग करता है:फोटोवोल्टिक प्रभावफोटॉन के अवशोषण के माध्यम से वोल्टेज/धारा उत्पन्न करता है, जबकिफोटोकंडक्टिव प्रभावअर्धचालक की विद्युत चालकता को परिवर्तित करता है। श्रृंखला कनेक्शन के कारण ये प्रभाव विभिन्न रंग चैनलों के बीच परस्पर निर्भरता उत्पन्न करते हैं।

4. प्रयोगात्मक परिणाम और प्रदर्शन

4.1 AC/DC प्रतिसादशीलता माप

सेंसर युग्मZiguang(नीले और लाल प्रकाश के मिश्रण से उत्पन्न) सबसे बड़ी AC और DC प्रतिक्रियाशीलता प्रदर्शित करता है। यह दर्शाता है कि जब कई जंक्शन एक साथ सक्रिय होते हैं तो एक सहक्रियात्मक प्रभाव उत्पन्न होता है।

4.2 रंग-प्रोग्राम योग्य प्रतिसाद

यह सेंसर की एक विशिष्ट विशेषता है:

  • सेंसर युग्मनीलाAC प्रकाश के प्रति प्रतिक्रियाशीलता को प्रकाशित करके मापा जा सकता हैलाल या हराDC प्रकाश से वृद्धि।
  • 对लालएसी सिग्नल की प्रतिक्रिया कोहराडीसी प्रकाश दमन।
  • 对हराएसी सिग्नल की प्रतिक्रिया कोलालडीसी प्रकाश दमन।
यह एक प्रकार का ऑप्टिकल गेटिंग या लाभ नियंत्रण बनाता है, जो बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर में बेस करंट द्वारा कलेक्टर करंट को नियंत्रित करने के समान है।

4.3 प्रमुख प्रदर्शन संकेतक

शोध पत्र ने इस बात पर जोर दिया है कि यह सेंसर फॉस्फर-लेपित सफेद एलईडी दृश्य प्रकाश संचार के लिए उपयुक्त है। धीमी पीली फॉस्फर उत्सर्जन महत्वपूर्ण हस्तक्षेप नहीं करता है, बल्कि उच्च गति वाले नीले पंप प्रकाश संकेतों की प्रतिक्रिया को बढ़ाता है, जो एक अंतर्निहित फ़िल्टरिंग लाभ प्रदान करता है।

5. विश्लेषक दृष्टिकोण: मुख्य अंतर्दृष्टि और विश्लेषण

मुख्य अंतर्दृष्टि:यह केवल एक चतुर सर्किट ट्रिक नहीं है; यह LED को एक बहुआयामी ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक घटक के रूप में मौलिक पुनर्विचार है। लेखक ने व्यावसायिक श्रृंखला RGB LED में निहित फोटोवोल्टिक गुणों और वर्णक्रमीय संवेदनशीलता का उपयोग करके, प्रभावी रूप से एक"रंग-कोडित फोटोट्रांजिस्टर"वास्तविक प्रतिभा पारंपरिक विद्युत पूर्वाग्रह से परे, नियंत्रण चर के रूप में प्रकाश के स्वयं के रंग का उपयोग करने में निहित है। यह न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग और सेंसर-इन-कंप्यूटिंग के क्षेत्रों में व्यापक प्रवृत्ति के अनुरूप है, जहां डिवाइस संवेदन बिंदु पर एनालॉग प्रसंस्करण करते हैं, जैसा कि एमआईटी माइक्रोसिस्टम्स टेक्नोलॉजी लेबोरेटरी जैसे संस्थानों में दृष्टि सेंसर अनुसंधान में प्रदर्शित किया गया है।

तार्किक संरचना:तर्क अत्यंत सूक्ष्म है: 1) श्रृंखला कनेक्शन वर्तमान निरंतरता को बाध्य करता है; 2) प्रत्येक एलईडी का प्रतिबाधा उसके विशिष्ट बैंडगैप पर आपतित फोटॉन फ्लक्स का एक कार्य है; 3) इसलिए, कुल वोल्टेज/धारा आउटपुट इनपुट स्पेक्ट्रल संरचना का एक अरेखीय कार्य बन जाता है। यह प्रोग्रामेबल ट्रांसफर फ़ंक्शन बनाता है। यह एक हार्डवेयर-क्रियान्वित फ़ंक्शन है जिसे आमतौर पर अलग सेंसर, फ़िल्टर और माइक्रोप्रोसेसर की आवश्यकता होती है।

फायदे और कमियाँ:इसका फायदा गहन सादगी और लागत प्रभावशीलता में है, जिसने ऑफ-द-शेल्फ घटकों का उपयोग करके नवीन कार्यक्षमता हासिल की है। दोहरी ट्रांसीवर क्षमता IoT नोड्स के लघुरूपण और बिजली बजट के लिए एक बड़ी जीत है। हालाँकि, एक स्पष्ट कमी यह है कि पेपरगति और बैंडविड्थमौन रहें। फोटोट्रांजिस्टर (उदाहरण के लिए, InGaAs-आधारित, जैसा कि IEEE Journal of Quantum Electronics में काम द्वारा उद्धृत किया गया है) को लाभ और बैंडविड्थ के बीच समझौता करने की आवश्यकता होती है। विभिन्न नियंत्रित प्रकाश स्थितियों के तहत, इस RGB सेंसर की -3dB मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ क्या है? दृश्यमान प्रकाश संचार के लिए, यह महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, डीसी प्रकाश के माध्यम से "लाभ" नियंत्रण की रैखिकता और गतिशील सीमा की अभी तक खोज नहीं की गई है, लेकिन व्यावहारिक संचार प्रणालियों के लिए यह महत्वपूर्ण है।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि:शोधकर्ताओं के लिए: क्षणिक प्रतिक्रिया और शोर विशेषताओं की तत्काल जांच करें। प्रत्यावर्ती धारा व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए प्रतिबाधा मॉडल में सुधार की आवश्यकता है। उत्पाद डेवलपर्स के लिए: यह एक कम लागत वाले, बुद्धिमान परिवेश प्रकाश सेंसर का एक शानदार अवसर है जो न केवल प्रकाश तीव्रता, बल्कि वर्णक्रमीय वातावरण को भी पहचान सकता है (उदाहरण के लिए, क्या यह नीला प्रकाश स्क्रीन से है या आकाश से?)। दृश्यमान प्रकाश संचार मानक संगठनों (जैसे IEEE 802.15.7) के साथ सहयोग करें, और संचार और कंप्यूटिंग के लिए इसके उपयोग की "रंग भाषा" को परिभाषित करने के लिए इस रंग-गेटेड विशेषता का लाभ उठाएं। भविष्य न केवल सेंसर बनाने में है, बल्कि इसे संचार और कंप्यूटिंग के लिए परिभाषित करने में है।

6. तकनीकी विवरण और गणितीय सूत्र

शोधपत्र ने प्रकाश-निर्भर प्रतिबाधा पर एक सैद्धांतिक मॉडल विकसित किया है। प्रकाश के अंतर्गत LED की प्रभावी प्रतिबाधा को फोटोजनरेटेड धारा के फलन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। एक सरलीकृत मॉडल के लिए, श्रृंखला परिपथ से प्रवाहित धारा को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

  • $V_{bias}$ कोई भी लागू पूर्वाग्रह वोल्टेज है (फोटोवोल्टिक मोड में शून्य हो सकता है)।
  • $V_{ph,i}$ i-वें LED (लाल, हरा, नीला) द्वारा उत्पन्न फोटोवोल्टेज है।
  • $R_{load}$ लोड प्रतिरोध (1 MΩ) है।
  • $Z_i(I_{ph,i})$ i-th LED का सम्मिश्र प्रतिबाधा है, जो इसकी फोटोजेनरेटेड धारा $I_{ph,i}$ का एक फलन है। $I_{ph,i}$ स्वयं उस LED के अवशोषण बैंड में तरंगदैर्ध्य के आपतित प्रकाश शक्ति पर निर्भर करती है।
"प्रोग्रामेबल" प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है क्योंकि डीसी नियंत्रण प्रकाश (जैसे लाल प्रकाश) मुख्य रूप से $Z_R$ और $I_{ph,R}$ को प्रभावित करता है, जिससे हर बदल जाता है और सर्किट की उस एसी सिग्नल (जैसे नीला प्रकाश) के प्रति संवेदनशीलता बदल जाती है जो $Z_B$ और $I_{ph,B}$ को प्रभावित करता है।

7. विश्लेषणात्मक ढांचा एवं संकल्पनात्मक केस स्टडी

फोटोइलेक्ट्रिक बहुकार्यात्मकता के मूल्यांकन के लिए ढांचा:

  1. कार्यात्मक एकीकरण: क्या यह उपकरण संवेदन, मॉड्यूलेशन और नियंत्रण को एक भौतिक इकाई में जोड़ता है? (यह सेंसर उच्च अंक प्राप्त करता है)।
  2. नियंत्रण आयाम: नियंत्रण प्रतिक्रिया का स्वतंत्र चर क्या है? (विद्युत पूर्वाग्रह, तरंगदैर्ध्य, तीव्रता, ध्रुवीकरण)। यहाँ तरंगदैर्ध्य/रंग है।
  3. अरैखिकता और लाभ: क्या इनपुट-आउटपुट संबंध रैखिक है? प्रभावी लाभ क्या है? (यह उपकरण स्पष्ट अरैखिकता, समायोज्य लाभ प्रदर्शित करता है)।
  4. सिस्टम-स्तरीय प्रभाव: यह बाहरी घटकों (फ़िल्टर, एम्पलीफायर, स्वतंत्र ट्रांसीवर) को कैसे कम करता है?
संकल्पना केस स्टडी: स्मार्ट वेयरहाउस IoT नोड
इस RGB सेंसर का उपयोग करने वाले एक नोड की कल्पना करें:
  • भूमिका 1 (रिसीवर): यह अपने शीर्ष एलईडी लैंप से उच्च-गति वाला नीला डेटा (विज़िबल लाइट कम्युनिकेशन डाउनलिंक) प्राप्त करता है। साथ ही एक स्थिर परिवेशी लाल प्रकाश (सुरक्षा बीकन से) मौजूद है, जिसके बारे में शोध पत्र बताता है कि यहबढ़ा सकता हैनीले संकेत की प्राप्ति।
  • भूमिका 2 (ट्रांसमीटर): एक ही नोड अपनी स्वयं की लाल एलईडी को मॉड्यूलेट करता है ताकि स्थिति डेटा वापस भेज सके (अपलिंक)। प्राप्त हरा प्रकाश (निकास चिह्न से) का उपयोग किया जा सकता हैदमनअन्य नोड्स के लाल संकेतों से क्रॉसटॉक।
  • भूमिका 3 (सेंसर): प्राप्त RGB प्रकाश का DC स्तर परिवेश निगरानी के लिए परिवेशी रंग तापमान डेटा प्रदान करता है।
एक हार्डवेयर इकाई तीन अलग-अलग कार्यों को निष्पादित करती है, जो अपने परिवेश के स्पेक्ट्रम को बुद्धिमानी से व्याख्या और उपयोग करती है।

8. अनुप्रयोग संभावनाएं एवं भविष्य की दिशाएं

निकटकालिक अनुप्रयोग:

  • सरलीकृत दृश्यमान प्रकाश संचार IoT नोड: स्मार्ट भवनों, औद्योगिक IoT और पानी के भीतर संचार में सेंसर नेटवर्क के लिए अति-कॉम्पैक्ट, कम लागत वाले ट्रांसीवर प्रदान करता है।
  • रंग पहचान प्रकाश सेंसर: साधारण प्रकाश तीव्रता पहचान से परे, अनुकूली प्रकाश व्यवस्था प्रणालियों, डिस्प्ले कैलिब्रेशन या कृषि निगरानी के लिए।
भविष्य के अनुसंधान दिशाएँ:
  • बैंडविड्थ अनुकूलन: इसके क्षणिक प्रतिक्रिया का चरित्र चित्रण और डिजाइन। तेज प्रतिक्रिया समय के लिए विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों (जैसे पेरोव्स्काइट) का अन्वेषण करें।
  • एकीकृत डिजाइन: पृथक RGB LED से अनुकूलित स्पेक्ट्रल फिल्टर और इंटरकनेक्ट के साथ मोनोलिथिक मल्टी-जंक्शन चिप की ओर बढ़ें।
  • न्यूरोमॉर्फिक सेंसिंग: रंग-गेटेड व्यवहार सिनैप्टिक वेट की याद दिलाता है। क्या इस प्रकार के सेंसर ऐरे एज पर बुनियादी स्पेक्ट्रल प्री-प्रोसेसिंग या पैटर्न मान्यता कर सकते हैं?
  • मानकीकरण: सुरक्षित या मल्टी-चैनल संचार के लिए, जैसा कि हाल के ऑप्टिकल डोमेन मल्टीपल एक्सेस अध्ययनों में सुझाया गया है, रंग-संबंधित गेन कंट्रोल का स्पष्ट रूप से उपयोग करने वाले मॉड्यूलेशन और एन्कोडिंग स्कीम विकसित करना।
  • ऊर्जा संग्रहण एकीकरण: संचार कार्यक्षमता के साथ फोटोवोल्टिक ऊर्जा संग्रहण क्षमता का समन्वय, वास्तविक स्वयं-संचालित IoT नोड्स को साकार करना, जो ISSCC जैसे सम्मेलनों में CMOS ऊर्जा संग्रहण संवेदक अनुसंधान की दिशा का अनुसरण करता है।
एकल, सरल उपकरण में संवेदन, संचार और कंप्यूटिंग का समामेलन, गहराई से एम्बेडेड और संदर्भ-जागरूक फोटोनिक बुद्धिमत्ता के भविष्य की ओर इशारा करता है।

9. संदर्भ सूची

  1. Li, S., Liang, S., & Xu, Z. (2018). Phototransistor-like Light Controllable IoT Sensor based on Series-connected RGB LEDs. arXiv:1810.08789.
  2. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. IEEE Std 802.15.7-2018.
  3. Ismail, T., et al. (2021). CMOS Image Sensors as Multi-Functional Devices for IoT: A Review. IEEE Transactions on Circuits and Systems I.
  4. Zhu, J., et al. (2017). InGaAs/InP Phototransistors for High-Speed Lightwave Communication. IEEE Journal of Quantum Electronics.
  5. MIT Microsystems Technology Laboratories. (2023). Research on Neuromorphic Vision Sensors. [Online]. Available: https://www.mtl.mit.edu
  6. International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). (2022). Advances in Energy-Harvesting Sensor Interfaces.