Luce che Parla: I Concentratori Solari Luminescenti Rivoluzionano la Comunicazione Indoor!

Amici appassionati di tecnologia, preparatevi perché sto per raccontarvi qualcosa che ha dell’incredibile! Avete presente la luce che illumina le nostre stanze? E se vi dicessi che quella stessa luce può trasportare dati ad alta velocità, trasformando ogni lampadina in un potenziale hotspot Wi-Fi? Sembra fantascienza, vero? Eppure, è il cuore pulsante della Visible Light Communication (VLC), una tecnologia che promette di rivoluzionare il modo in cui ci connettiamo, specialmente al chiuso.

Ma c’è un “ma”… o forse c’era!

La VLC è fantastica sulla carta: sfrutta i LED, già onnipresenti per l’illuminazione, per trasmettere informazioni. Questo significa bande di frequenza libere, niente interferenze con i segnali radio (pensate agli ospedali o agli aerei!) e velocità potenzialmente stratosferiche. Però, come ogni tecnologia emergente, ha le sue sfide. Una delle principali è stata quella di creare ricevitori che fossero allo stesso tempo sensibili su un’ampia area (per catturare la luce da varie angolazioni, il cosiddetto Field of View o FoV) e veloci (con un’ampia larghezza di banda, o BW, per gestire tanti dati).

Tradizionalmente, o si usavano fotodiodi grandi, che hanno un buon FoV ma una capacità parassita elevata che ne limita la velocità, oppure fotodiodi piccoli, velocissimi ma con un FoV ridotto, che richiedono un allineamento preciso con la sorgente luminosa – non proprio comodo se ti muovi nella stanza! Un bel dilemma, no?

L’idea geniale: i Concentratori Solari Luminescenti (LSC)

Ed è qui che entra in gioco la nostra innovazione, un vero colpo di genio se posso dirlo! Abbiamo pensato: e se usassimo i Concentratori Solari Luminescenti (LSC)? So cosa state pensando: “Ma quelli non servono per l’energia solare?”. Esatto, nascono per quello! Si tratta di lastre di materiale plastico o vetroso (nel nostro caso, polimetilmetacrilato, o PMMA) in cui sono dispersi dei fluorofori, delle sostanze speciali che assorbono la luce e la riemettono a una lunghezza d’onda diversa, tipicamente più rossa. Questa luce “fluorescente” viene poi guidata, grazie alla riflessione interna totale, verso i bordi sottili della lastra, dove possiamo piazzare un fotodiodo piccolo e veloce.

Il risultato? Un ricevitore con un’area di raccolta della luce grande (tutta la superficie della lastra LSC) e quindi un ampio FoV, ma con la velocità di un fotodiodo piccolo! È come avere la botte piena e la moglie ubriaca, tecnologicamente parlando. Questi LSC, abbinati a fotodiodi standard, diventano delle vere e proprie antenne ottiche con guadagno elevato senza sacrificare la larghezza di banda.

Abbiamo quindi sviluppato un sistema VLC che combina LED bianchi commerciali ad alta potenza (quelli che potreste avere in ufficio o a casa) con un ricevitore basato su un LSC innovativo, progettato appositamente per avere un FoV eccezionale. Per il nostro LSC, abbiamo usato un fluoroforo organico super efficiente, il Lumogen© Red 305F (LR305), che ha ottime proprietà di assorbimento e una buona larghezza di banda.

Un altro trucco che abbiamo implementato è stato quello di eliminare il filtro blu sul ricevitore. Molti sistemi VLC lo usano per “velocizzare” la risposta dei LED bianchi a fosfori (che hanno una componente gialla più lenta), ma questo riduce la quantità di luce raccolta e limita il FoV. Noi, invece, abbiamo sviluppato un filtro di pre-distorsione elettrico da applicare al segnale prima che arrivi al LED trasmettitore. In pratica, “prepariamo” il segnale in modo che compensi le limitazioni di banda del LED, ottenendo una risposta in frequenza piatta senza bisogno di filtri ottici sul ricevitore. Geniale, vero?

Mettiamoci all’Opera: Test e Risultati da Urlo!

Dopo aver caratterizzato e ottimizzato ogni componente, siamo passati ai test di trasmissione in uno scenario realistico. Immaginate una stanza, con il nostro trasmettitore LED bianco ad alta potenza montato al soffitto e il nostro ricevitore LSC (una lastra di 50×50 mm² con un fotodiodo a valanga Si-APD da 3 mm di diametro su un bordo) pronto a catturare il segnale.

Abbiamo iniziato misurando il Bit Error Ratio (BER), un parametro fondamentale che ci dice quanti bit vengono ricevuti errati. Con un segnale On-Off Keying (OOK) a 10 Mbit/s (simile allo standard Ethernet 10Base-T), abbiamo ottenuto una sensibilità notevole e, soprattutto, abbiamo dimostrato l’incredibile vantaggio del FoV del nostro LSC. Mentre un fotodiodo normale perdeva rapidamente segnale se non perfettamente allineato, il nostro sistema LSC manteneva un BER bassissimo (inferiore a 10^-9) fino a un angolo di incidenza di 20°, degradando con molta più grazia ad angoli maggiori.

Ma la prova del nove, quella che fa brillare gli occhi, è stata la trasmissione di un video HD in tempo reale a 10 Mbit/s! Abbiamo collegato due PC, uno che inviava lo streaming video tramite il nostro sistema VLC (usando il protocollo Ethernet UDP) e l’altro che lo riceveva e lo mostrava su un monitor. Distanza di trasmissione? Ben 2 metri, una tipica distanza soffitto-scrivania. E funzionava alla grande! Vedere quel video fluido, trasmesso dalla luce, è stata una soddisfazione immensa.

Non contenti, abbiamo voluto spingere il sistema al limite. Abbiamo usato una modulazione più avanzata, la Discrete Multi-Tone (DMT), che adatta dinamicamente la quantità di dati trasmessi su diverse sotto-portanti in base alla qualità del canale. Con un LED bianco (WLED) commerciale, in una configurazione realistica con il trasmettitore al soffitto (a 2.1 metri di altezza) e il ricevitore su un treppiede, abbiamo raggiunto i 71 Mbit/s con un BER accettabile (inferiore a 3.8 x 10^-3, il limite per la correzione d’errore FEC). E la cosa più impressionante è che potevamo ancora trasmettere a 25 Mbit/s anche quando il ricevitore era spostato di 2.5 metri lateralmente rispetto all’asse del LED, coprendo un’area di circa 20 m²! Questo grazie all’ampio FoV del nostro LSC.

Abbiamo anche provato con un LED RGBW (Rosso-Verde-Blu-Bianco), modulando solo i chip blu e verde (perché il nostro LSC LR305 assorbe principalmente in queste regioni). Nonostante la potenza ottica emessa fosse inferiore rispetto al WLED, la maggiore larghezza di banda intrinseca dei chip colorati ci ha permesso di toccare i 110 Mbit/s a una distanza di 1.2 metri (mantenendo lo stesso livello di illuminamento del test precedente, circa 60 lux). Un miglioramento di capacità di circa il 50%!

Cosa ci riserva il futuro (luminoso)?

Quello che abbiamo dimostrato è un passo avanti gigantesco verso l’adozione massiccia della tecnologia VLC negli ambienti indoor reali. Combinando un’accurata pre-distorsione del segnale al trasmettitore, l’eliminazione del filtro blu e un ricevitore ottico innovativo basato su LSC, ad ampia area, con grande FoV e alta larghezza di banda, abbiamo aperto la strada a un nuovo modo di concepire la connettività wireless.

Certo, c’è ancora spazio per migliorare: ottimizzare ulteriormente il design dell’LSC per ridurre le perdite di luce dai bordi non coperti dal fotodiodo, magari usando più fotodiodi o rivestimenti riflettenti, o esplorare nuovi fluorofori. Ma la strada è tracciata, e il futuro della comunicazione indoor si preannuncia decisamente… luminoso!

Pensate alle possibilità: uffici, case, ospedali, aerei, dove ogni lampada LED non solo illumina ma fornisce anche una connessione dati sicura, veloce e senza interferenze. Non è affascinante? Io credo proprio di sì!

Fonte: Springer