1. Введение и обзор

В данной статье представлена новая конструкция оптического сенсора для Интернета вещей (IoT), основанная на последовательно соединённых красных, зелёных и синих (RGB) светоизлучающих диодах (LED). Ключевая инновация заключается в его поведении, подобном фототранзистору, где оптоэлектрический отклик сенсора может управляться или «программироваться» падающим светом различного цвета. Это устройство работает в двойном режиме как передатчик и приёмник в системах видимой световой связи (VLC), что потенциально снижает сложность и стоимость сетей IoT.

Макс. чувствительность

Фиолетовый свет (С+К)

Пиковый AC/DC отклик

Ключевая особенность

Программируемый светом

Отклик управляется цветом падающего света

Основное применение

VLC для IoT

Функциональность приёмопередатчика

2. Модель RGB-сенсора и экспериментальная установка

Сенсор собран путём последовательного соединения красного светодиода AlInGaP, зелёного InGaN и синего GaN (серия LumiLEDs rebel). Во время экспериментов все светодиоды равномерно освещаются.

2.1 Экспериментальная конфигурация

Выход RGB-сенсора подключён к осциллографу Keysight MSOX6004A с входной нагрузкой 1 МОм. Данная установка позволяет точно измерять отклик сенсора на различные цветовые входные сигналы (красный, зелёный, синий и их смеси).

2.2 Характеристики и спектры светодиодов

На рисунке 1(b) в статье показаны измеренный спектр излучения и относительные спектральные распределения оптоэлектронного отклика для каждого RGB-светодиода при нулевом смещении. Эти данные имеют решающее значение для понимания поведения каждого компонента в последовательной цепи в зависимости от длины волны.

3. Основной технический принцип и модель

Работа сенсора интерпретируется через модель светозависимого импеданса. Падающий свет изменяет эффективный импеданс отдельных светодиодов в последовательной цепочке, тем самым модулируя общий ток и выходное напряжение сенсора.

3.1 Модель светозависимого импеданса

Оптоэлектронный отклик является сложным, включая фотопроводящий и фотовольтаический режимы, а также генерацию фототока за счёт диссоциации экситонов. Модель рассматривает светодиод-приёмник как источник тока, когда импеданс нагрузки достаточно мал.

3.2 Фотовольтаический и фотопроводящий режимы

Сенсор, вероятно, использует оба режима: фотовольтаический эффект генерирует напряжение/ток за счёт поглощённых фотонов, в то время как фотопроводящий эффект изменяет проводимость полупроводника. Последовательное соединение создаёт взаимозависимости между этими эффектами в различных цветовых каналах.

4. Экспериментальные результаты и характеристики

4.1 Измерения AC/DC чувствительности

Сенсор демонстрирует максимальную AC и DC чувствительность к фиолетовому свету, созданному смешением синего и красного света. Это указывает на синергетический эффект при одновременной активации нескольких переходов.

4.2 Программируемый цветом отклик

Это отличительная особенность:

  • Чувствительность сенсора к синему AC-свету может быть усилена падающим красным или зелёным DC-светом.
  • Отклик на красный AC-сигнал может быть подавлен зелёным DC-светом.
  • Отклик на зелёный AC-сигнал может быть подавлен красным DC-светом.
Это создаёт форму оптического стробирования или регулировки усиления, аналогичную управлению током коллектора базовым током в биполярном транзисторе.

4.3 Ключевые метрики производительности

В статье подчёркивается пригодность для VLC на основе белых светодиодов с люминофорным покрытием. Медленное жёлтое свечение люминофора не вызывает значительных помех, но может усиливать отклик на высокоскоростной сигнал синего накачивающего света, что даёт встроенное преимущество фильтрации.

5. Взгляд аналитика: Ключевая идея и критика

Ключевая идея: Это не просто умный трюк с цепью; это фундаментальный пересмотр светодиода как многофункциональной оптоэлектронной ячейки. Авторы эффективно создали «цветокодированный оптоэлектронный транзистор», используя внутренние фотовольтаические свойства и спектральную чувствительность коммерческих RGB-светодиодов, соединённых последовательно. Подлинная гениальность заключается в использовании самого цвета света в качестве управляющей переменной, выходя за рамки традиционного электрического смещения. Это согласуется с общей тенденцией в нейроморфных вычислениях и вычислениях в сенсоре, где устройства выполняют аналоговую обработку в точке измерения, как видно из исследований таких институтов, как Microsystems Technology Laboratories MIT, посвящённых сенсорам зрения.

Логическая последовательность: Логика элегантна: 1) Последовательное соединение обеспечивает непрерывность тока, 2) Импеданс каждого светодиода является функцией падающего потока фотонов на его конкретной ширине запрещённой зоны, 3) Следовательно, общее выходное напряжение/ток становится нелинейной функцией спектрального состава входного света. Это создаёт программируемую передаточную функцию. Это аппаратная реализация функции, которая обычно требует отдельных сенсоров, фильтров и микропроцессора.

Сильные стороны и недостатки: Сильная сторона — глубокая простота и экономическая эффективность, использование полностью готовых компонентов для достижения новой функциональности. Возможность работы в режиме приёмопередатчика является большим преимуществом для миниатюризации узлов IoT и энергопотребления. Однако явный недостаток — молчание статьи о скорости и полосе пропускания. Фототранзисторы, подобные тем, что основаны на InGaAs (как упоминается в работах в IEEE Journal of Quantum Electronics), жертвуют полосой пропускания ради усиления. Какова полоса пропускания по уровню -3 дБ этого RGB-сенсора при различных условиях управляющего света? Для VLC это первостепенно. Кроме того, линейность и динамический диапазон «усиления», управляемого DC-светом, не исследованы, но критически важны для практических систем связи.

Практические выводы: Для исследователей: Немедленно исследуйте переходную характеристику и шумовые характеристики. Модель импеданса требует доработки для прогнозирования AC-поведения. Для разработчиков продуктов: Это золотой билет для недорогих интеллектуальных датчиков окружающего освещения, которые могут различать не только интенсивность, но и спектральный контекст (например, это синий свет от экрана или от неба?). Сотрудничайте с группами по стандартизации VLC (такими как IEEE 802.15.7) для определения протоколов управляющего канала с использованием этой функции цветового стробирования. Будущее заключается не только в создании сенсора, но и в определении «цветового языка», который он использует для связи и вычислений.

6. Технические детали и математическая формулировка

В статье разработана теоретическая модель, основанная на светозависимом импедансе. Эффективный импеданс светодиода под освещением может быть представлен как функция фотосгенерированного тока. Для упрощённой модели ток через последовательную цепь можно выразить как: $$I = \frac{V_{bias} + \sum_{i=R,G,B} V_{ph,i}}{R_{load} + \sum_{i=R,G,B} Z_i(I_{ph,i})}$$ где:

  • $V_{bias}$ — любое приложенное напряжение смещения (вероятно, ноль в фотовольтаическом режиме).
  • $V_{ph,i}$ — фотовольтаическое напряжение, генерируемое i-м светодиодом (красным, зелёным, синим).
  • $R_{load}$ — сопротивление нагрузки (1 МОм).
  • $Z_i(I_{ph,i})$ — комплексный импеданс i-го светодиода, который является функцией его фотосгенерированного тока $I_{ph,i}$. Сам $I_{ph,i}$ зависит от падающей оптической мощности на длинах волн в пределах полосы поглощения этого светодиода.
«Программируемый» отклик возникает потому, что DC-управляющий свет (например, красный) в первую очередь влияет на $Z_R$ и $I_{ph,R}$, тем самым изменяя знаменатель и меняя чувствительность цепи к AC-сигналу (например, синему), который влияет на $Z_B$ и $I_{ph,B}$.

7. Аналитическая структура и концептуальный пример использования

Структура для оценки оптоэлектронной многофункциональности:

  1. Интеграция функций: Объединяет ли устройство в одном физическом объекте функции измерения, модуляции и управления? (Этот сенсор получает высокую оценку).
  2. Измерение управления: Что является независимой переменной для управления откликом? (Электрическое смещение, длина волны, интенсивность, поляризация). Здесь это длина волны/цвет.
  3. Нелинейность и усиление: Является ли зависимость вход-выход линейной? Каково эффективное усиление? (Это устройство демонстрирует явное нелинейное, настраиваемое усиление).
  4. Влияние на системном уровне: Как оно сокращает количество внешних компонентов (фильтров, усилителей, отдельных приёмопередатчиков)?
Концептуальный пример использования: Умный узел IoT на складе
Представьте узел, использующий этот RGB-сенсор:
  • Роль 1 (Приёмник): Он принимает высокоскоростные синие данные от потолочного светодиодного освещения (нисходящий канал VLC). Одновременно присутствует постоянный окружающий красный свет (от сигнального маяка), который, как показано в статье, может усиливать приём синего сигнала.
  • Роль 2 (Передатчик): Тот же узел модулирует свой собственный красный светодиод для отправки данных о статусе обратно (восходящий канал). Полученный зелёный свет (от знака выхода) может использоваться для подавления перекрёстных помех от красных сигналов других узлов.
  • Роль 3 (Сенсор): Уровни DC полученного RGB-света предоставляют данные о цветовой температуре окружающей среды для мониторинга.
Один аппаратный блок выполняет три различные функции, интеллектуально интерпретируя и используя цветовой спектр своей среды.

8. Перспективы применения и направления развития

Непосредственные применения:

  • Упрощённые узлы VLC IoT: Позволяет создавать сверхкомпактные, недорогие приёмопередатчики для сенсорных сетей в умных зданиях, промышленном IoT и подводных коммуникациях.
  • Цветоразличительные датчики света: Помимо простой интенсивности, для адаптивных систем освещения, калибровки дисплеев или сельскохозяйственного мониторинга.
Направления будущих исследований:
  • Оптимизация полосы пропускания: Охарактеризовать и улучшить переходную характеристику. Исследовать различные полупроводниковые материалы (например, перовскиты) для более быстрого времени отклика.
  • Интегрированная конструкция: Перейти от дискретных RGB-светодиодов к монолитному многопереходному чипу с оптимизированными спектральными фильтрами и межсоединениями.
  • Нейроморфное зондирование: Поведение цветового стробирования напоминает синаптическое взвешивание. Могут ли массивы таких сенсоров выполнять элементарную спектральную предобработку или распознавание образов на периферии?
  • Стандартизация: Разработать схемы модуляции и кодирования, которые явно используют управление усилением, зависящее от цвета, для безопасной или многоканальной связи, как предлагается в недавних работах по множественному доступу в оптической области.
  • Интеграция сбора энергии: Объединить возможность фотовольтаического сбора энергии с функцией связи для создания по-настоящему самопитающихся узлов IoT, следуя пути исследований, представленных на конференциях, таких как ISSCC, по CMOS-сенсорам, собирающим энергию.
Конвергенция измерения, связи и вычислений в одном простом устройстве указывает на будущее глубоко встроенного и контекстно-зависимого фотонного интеллекта.

9. Ссылки

  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.