Des chercheurs utilisent des cellules solaires pour établir une communication sans fil sous-marine rapide

Bien que les cellules solaires soient généralement conçues pour transformer la lumière en énergie, les chercheurs ont montré qu’elles peuvent également être utilisées pour établir une communication optique sans fil sous-marine avec des débits de données élevés. La nouvelle approche, qui utilise un réseau de cellules solaires connectées en série comme détecteurs, pourrait offrir un moyen rentable et à faible consommation d’énergie de transmettre des données sous l’eau.

“Il existe un besoin critique de communication sous-marine efficace pour répondre aux demandes croissantes d’échange de données sous-marines dans les activités mondiales de protection des océans”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche Jing Xu de l’Université du Zhejiang en Chine. Par exemple, dans les efforts de conservation des récifs coralliens, des liaisons de données sont nécessaires pour transmettre les données des plongeurs, des sous-marins habités, des capteurs sous-marins et des véhicules sous-marins autonomes sans pilote aux navires de surface soutenant leur travail.

Dans la revue Lettres optiques, Xu et ses collègues rendent compte d’expériences en laboratoire dans lesquelles ils ont utilisé un ensemble de cellules solaires disponibles dans le commerce pour créer un système optimisé sans lentille pour la détection optique à grande vitesse sous l’eau. Les cellules solaires offrent une zone de détection beaucoup plus grande que les photodiodes traditionnellement utilisées comme détecteurs dans les communications optiques sans fil.

« Au meilleur de nos connaissances, nous avons démontré la bande passante la plus élevée jamais atteinte pour un système de communication optique commercial basé sur un panneau solaire au silicium avec une grande zone de détection », a déclaré Xu. “Ce type de système pourrait même permettre l’échange de données et la production d’électricité avec un seul appareil.”

Optimiser les cellules solaires pour la communication

Par rapport à l’utilisation d’ondes radio ou acoustiques, la communication sans fil sous-marine basée sur la lumière présente une vitesse plus élevée, une latence plus faible et nécessite moins d’énergie. Cependant, la plupart des systèmes optiques à grande vitesse longue distance ne sont pas pratiques pour une mise en œuvre sous-marine car ils nécessitent un alignement strict entre l’émetteur émettant la lumière et le récepteur qui détecte le signal lumineux entrant.

Étant donné que les cellules solaires détectent la lumière d’une grande surface et la convertissent en un signal électrique, leur utilisation comme détecteurs peut faciliter l’exigence d’alignement émetteur-récepteur dans un système de communication sans fil sous-marin. Cependant, il a été difficile d’atteindre une bande passante élevée car les cellules solaires sont optimisées pour la récupération d’énergie plutôt que pour la communication.

« Jusqu’à présent, la réalisation de liaisons à haut débit à l’aide de cellules solaires au silicium prêtes à l’emploi nécessitait des schémas et des algorithmes de modulation complexes, qui nécessitaient des ressources informatiques intenses qui utilisent une puissance supplémentaire et créent une latence de traitement élevée », a déclaré Xu. “En utilisant la modélisation et la simulation de cellules solaires connectées, nous avons optimisé le circuit périphérique, ce qui a considérablement amélioré les performances de notre détecteur à base de cellules solaires.”

Essais sous-marins

Les chercheurs ont testé la nouvelle conception, qui utilisait un panneau solaire 3 × 3 pour créer une zone de détection de 3,4 × 3,4 centimètres, dans un réservoir d’eau de 7 mètres de long qui imitait un canal sous-marin. Des miroirs ont été utilisés pour étendre la longueur du trajet du signal optique, créant une distance de transmission de 35 mètres. Le système a montré une stabilité fiable, une faible consommation d’énergie et des performances élevées. Lorsque la taille du générateur solaire augmente de 1 × 1 à 3 × 3, la bande passante de -20 dB augmente de 4,4 MHz à 24,2 MHz.

Même si un schéma de modulation simple a été utilisé, le nouveau système présentait une bande passante de détection beaucoup plus élevée – ce qui conduit à un débit de données plus élevé – que ce qui a été rapporté dans d’autres études utilisant des cellules solaires au silicium commerciales avec une grande zone de détection comme détecteurs. L’application d’une tension de polarisation inverse de 90 V a encore augmenté la bande passante, leur permettant d’atteindre une bande passante de -20 dB de 63,4 MHz. Cette bande passante a permis une liaison optique sans fil sous-marine de 35 m/150 Mbps en utilisant la forme la plus simple de modulation par déplacement d’amplitude.

“Parce que les cellules solaires sont produites en masse, le schéma proposé est assez rentable”, a déclaré Xu. “Au-delà du monde sous-marin, ce type de détecteur pourrait également être utilisé dans la communication par lumière visible, un type de communication sans fil qui utilise la lumière visible des LED et d’autres sources pour transmettre des données sur des distances.”

Afin d’optimiser le système pour des applications réelles dans la communication sous-marine, les chercheurs prévoient d’étudier ensuite ses performances avec des signaux optiques faibles. Cela montrera à quel point cela fonctionne bien dans l’eau boueuse et avec le mouvement. Ils s’efforcent également de rendre le système plus pratique en ajustant avec précision des paramètres clés tels que le nombre de cellules solaires dans le réseau et la tension de polarisation inverse requise.