Brevet FR3038134A1 — publié le 20161230

Dispositif de réception photovoltaïque avec gestion de la polarisation pour augmenter le débit d'une communication optique Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte aux dispositifs de communication par lumière visible et invisible (infrarouge et ultraviolette) de type VLC (acronyme pour « Visible Light Communication »), et plus particulièrement à des modules de réception photovoltaïques polarisés de telle sorte que le débit de la communication soit optimisé. Etat de la technique Les dispositifs de communication par la lumière visible (VLC ou LiFi) ou par lumière invisible utilisent la lumière pour transmettre une information entre deux points distants. En particulier, les systèmes de communication par la lumière visible comprennent en général une diode électroluminescente (communément désignée par son acronyme anglais « LED ») ou un module comprenant une LED comme moyen d'émission, et un photodétecteur comme moyen de réception. Les LED émettent un flux lumineux avec un spectre d'émission caractéristique, différent du spectre de la lumière naturelle. Les flux lumineux étant mesurés en Lux, on notera Lux LiFi le flux lumineux modulé émis par une LED. Le Lux LiFi est donc l'unité de mesure du flux lumineux spécifiant le niveau en Lux mesuré à partir d'un luxmètre lorsque la lumière utilisée est modulée et générée par des LEDs. On définit alors plusieurs niveaux d'éclairement qui seront réutilisés dans la suite de ce document : On entend par « faible flux LiFi » émis par une LED, un flux lumineux inférieur à 200 Lux LiFi. On entend par « flux LiFi moyen » émis par une LED, un flux lumineux compris entre 200 et 10 000 Lux LiFi. On entend par « fort flux LiFi » émis par une LED, un flux lumineux supérieur à 10 000 Lux LiFi. Dans le cadre des communications LiFi, la LED fournit un signal lumineux dans les gammes de longueur d'onde visible, infrarouge (IR) et ultraviolette (UV) dont l'intensité est modulée en fonction de l'information à transmettre. En particulier, dans le spectre du visible, les luminaires à LED ont l'avantage de permettre une double fonction à la fois d'éclairage et de transmission de données. Leurs caractéristiques physiques permettent d'envisager des débits de l'ordre du gigabit par seconde pour des systèmes dédiés. Cette LED peut être 3038134 2 constituée d'une unique puce bleue recouverte d'un luminophore pour permettre un éclairage blanc, ou être constituée de plusieurs puces émettant des couleurs différentes (RGYB par exemple). Un tel système de communication LiFi est avantageux en ce qu'on peut utiliser 5 comme moyen de réception la plupart des photodétecteurs existants associés à un système de traitement de l'information permettant d'analyser la variation de l'amplitude du signal lumineux reçu et d'en déduire l'information transmise. En particulier, la plupart des surfaces photovoltaïques sont des photodétecteurs qui restituent les variations du signal optique en variations du signal électrique. 10 De manière générale, les systèmes de réception LiFi reçoivent les lumières issues de toutes les directions de l'espace sans distinction, qu'il s'agisse de la lumière ambiante ou de la lumière modulée émise par un émetteur LiFi. Afin d'optimiser le débit de communication LiFi dans un environnement comportant d'autres sources lumineuses, un problème technique se pose. En effet, il est nécessaire de 15 pouvoir discriminer la lumière issue des LED LiFi des autres sources de lumière, afin d'augmenter le rapport signal/bruit du signal LiFi, et par voie de conséquence, le débit de transmission. La plupart des photorécepteurs (non photovoltaïques) connus sont très sensibles à la lumière ambiante, et saturent rapidement en présence d'un fort flux lumineux ambiant. De 20 ce fait, ils ne permettent plus de retranscrire la variation de l'intensité lumineuse du signal LiFi, lorsque la saturation s'installe. Néanmoins, ces photorécepteurs connus sont souvent de très bons récepteurs tant que le flux LiFi n'est pas trop élevé ( SNR_mes, on polarise le module avec la valeur précédente de polarisation, qui correspond à la valeur optimale (Vs). 5 Figures L'invention sera mieux comprise à l'aide de sa description détaillée, en relation avec les figures, dans lesquelles : la figure 1 est un schéma de principe du dispositif de réception objet de 10 l'invention ; - la figure 2 représente le rapport signal sur bruit de la communication, en fonction de la fréquence et pour deux configurations particulières dudit dispositif ; - La figure 3 représente une variante dudit dispositif permettant d'adapter la tension de polarisation électrique à partir d'un système d'éclairage disposé en 15 face avant du module photovoltaïque. Description détaillée On se réfère à la figure 1, qui est un schéma de principe du dispositif de réception objet de l'invention. Le module 1 est un module photovoltaïque, de préférence 20 semi-transparent. Il est alors composé d'une pluralité de zones actives photovoltaïques opaques espacées par des zones de transparence. Il est éclairé par un émetteur LiFi 7 émettant un signal lumineux modulé 5. Un convertisseur analogique/numérique 3 connecté électriquement audit module photovoltaïque 1 permet de convertir le signal analogique délivré par le module photovoltaïque 1 en un signal numérique. Un module de traitement 4 25 reçoit en entrée le signal numérique issu du convertisseur analogique/numérique 3. Il est relié à un capteur (non représenté) permettant de mesurer la lumière ambiante continue, c'est-à-dire non modulée. En plus de la lumière ambiante naturelle, on peut utiliser une source de lumière continue pour générer par effet photovoltaïque une tension de polarisation Vp. On appelle « source de lumière continue » une source lumineuse non modulée en 30 amplitude, par opposition à la lumière modulée porteuse d'une information dans la communication par lumière visible. Il peut s'agir par exemple d'une LED. Le module de traitement 4 comporte un microprocesseur exécutant un programme itératif qui permet d'identifier la valeur nominale optimale Vs de la tension de polarisation Vp, en fonction du signal lumineux modulé 5 et de l'environnement lumineux ambiant. Il contrôle 35 le moyen de polarisation 2 dudit module photovoltaïque 1, permettant d'atteindre une tension de polarisation V, appliquée aux bornes dudit module photovoltaïque 1. Un module de 3038134 6 traitement du signal modulé 6 peut alors traiter l'information numérique et optimiser le débit reçu, de façon connue en soi. Ce module de traitement du signal 6 est soit connecté en sortie du convertisseur analogique numérique 3 s'il ne comporte pas son propre convertisseur, soit connecté aux bornes du module photovoltaïque 1 (c'est le cas représenté) 5 s'il comporte en entrée son propre convertisseur analogique numérique. De préférence, le module photovoltaïque 1 semi-transparent est composé d'une pluralité de zones actives photovoltaïques opaques espacées par des zones de transparence. Un tel module photovoltaïque est généralement composé d'au moins trois couches minces dont une électrode transparente, une couche d'absorbeur et une électrode 10 métallique. L'électrode transparente peut être constituée de graphène, de nanostructures métalliques ou encore d'un oxyde conducteur transparent tel que le FTO, l'ITO, l'IZO, l'AZO, le BZO, le GZO ou le ZnO. L'électrode métallique est formée d'un métal tel que l'aluminium (AI), le nickel (Ni), l'or (Au), l'argent (Ag), le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le chrome (Cr), le titane (Ti) ou le palladium (Pd). La couche d'absorbeur est composée d'un ou plusieurs 15 matériaux semi-conducteurs inorganiques et/ou organiques, par exemple à base de silicium amorphe ou microcristallin, de GaAs (arséniure de gallium), de CdTe (tellurure de cadmium), de CIGS (cuivre - indium - gallium - sélénium) ou à base de polymères. Il peut s'agir de jonctions de type p-i-n ou p-n, ou encore d'architectures tandem, c'est-à-dire comportant plusieurs couches de matériaux qui absorbent préférentiellement une partie différente du 20 spectre lumineux. Elles peuvent être conçues pour convertir la lumière visible et/ou la lumière ultra-violette et/ou la lumière infrarouge en électricité. Avantageusement, le choix des matériaux semi-conducteurs est réalisé pour maximiser la capture des photons dans les conditions d'éclairement visées. Afin d'assurer un bon degré de transparence audit module photovoltaïque 1, celui-ci 25 comporte de préférence des zones de transparence aménagées dans les couches de l'absorbeur et de l'électrode métallique, de manière qu'un observateur situé devant le substrat puisse voir au travers dudit module photovoltaïque. Ces zones de transparence sont donc configurées pour laisser subsister entre elles des zones actives photovoltaïques. La transparence du module photovoltaïque est fonction de la fraction surfacique occupée par 30 les zones actives photovoltaïques opaques. Dans un mode de réalisation avantageux, les zones de transparence sont aménagées dans l'électrode transparente en plus de l'électrode métallique et de la couche d'absorbeur, afin d'augmenter la transmission de la lumière au niveau des zones de transparence, puisqu'en réduisant le nombre d'interfaces, on minimise les phénomènes optiques de réflexions aux interfaces. Les zones actives photovoltaïques 35 peuvent être de formes quelconques et préférentiellement de dimensions telles que l'osil humain ne les distingue pas. Pour ce faire, la largeur des zones photovoltaïques est de 3038134 7 préférence inférieure à 200 micromètres. Les zones actives photovoltaïques ou les zones de transparence peuvent être organisées en réseaux de structures géométriques élémentaires, linéaires, circulaires ou polygonales. 5 La figure 2 représente la valeur du rapport signal sur bruit (SNR) en sortie du module photovoltaïque 1, en fonction de la fréquence, et pour deux configurations particulières d'environnement lumineux. La première configuration correspond au graphique en trait plein. Il s'agit d'une mesure du rapport signal sur bruit du signal de sortie d'un module photovoltaïque 1 semi-transparent, pour un signal lumineux modulé 5 de 9000 Lux émis par 10 une diode électroluminescente (LED) 7 dans un environnement lumineux ambiant de 80 Lux. La seconde configuration, représentée sur le graphique par un trait pointillé, est une mesure du rapport signal sur bruit du même module photovoltaïque 1 pour un même signal lumineux modulé 5 de 9000 Lux, mais dans un environnement ambiant de 41 000 Lux 15 obtenus à partir d'un spot de LED puissant. Cette figure montre que, de façon surprenante, le rapport SNR est meilleur dans la seconde configuration présentant un « bruit » lumineux plus important. En conséquence, le débit de communication peut être meilleur lorsque le module photovoltaïque 1 semi-transparent est placé dans un environnement lumineux ambiant présentant une l'intensité lumineuse optimale, de préférence commandée en temps 20 réel pour générer à l'aide du moyen de polarisation 2, une tension de polarisation Vp. L'intensité lumineuse continue optimale correspond à une tension de polarisation optimale ou tension de seuil V. En outre, l'invention prévoit que cette intensité lumineuse optimale dépend de la valeur du signal émis par la source 7 de lumière modulée. 25 La figure 3 décrit un exemple de mode réalisation du dispositif selon l'invention, permettant de faire varier la tension de polarisation électrique du module photovoltaïque 1, en fonction du signal numérique délivré en sortie du convertisseur analogique-numérique 3 et de la luminosité ambiante. Cette solution consiste à éclairer ledit module photovoltaïque 1 avec une source de lumière non modulée secondaire 10 dont l'intensité A est contrôlée C 30 par le module de gestion 4 pour s'adapter en fonction de la lumière ambiante 8 et du signal lumineux modulé 5. Il est judicieux de pouvoir rendre ce dispositif d'éclairage secondaire 10 transparent et pour cela de positionner une plaque transparente guide d'ondes 9 en face avant du module photovoltaïque 1, c'est-à-dire entre ledit module 1 et la source 7 de lumière modulée 35 5. Ladite plaque transparente 9 est structurée optiquement et permet de guider la lumière secondaire 10 dans son épaisseur et de la faire ressortir de préférence vers la face active du 3038134 8 module photovoltaïque 1. L'avantage d'un tel dispositif est qu'il peut contenir en outre un ou plusieurs systèmes optiques (11,12) de type lentilles ou polariseurs, qui permettent de diminuer l'intensité de la lumière ambiante 8 lorsque celle-ci est trop importante par rapport à l'intensité de la lumière modulée 5. 5 Avantages de l'invention En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant d'utiliser le module photovoltaïque dédié par exemple à la gestion des forts flux lorsque le flux LiFi est faible en polarisant de manière adéquate ledit module avec de la lumière non modulée. L'invention 10 permet de gérer automatiquement et en temps réel les différentes configurations d'environnement lumineux en adaptant le dispositif de manière à optimiser le débit de données reçues. Exemple de réalisation 15 Une expérience a été réalisée à partir d'un module photovoltaïque semi-transparent (dont la tension en circuit ouvert et sous 400 lux est égale à 10 mV) intégré dans un écran de téléphone, ledit téléphone étant doté d'une application permettant de charger à partir du module photovoltaïque et de jouer le contenu multimédia associé à l'adresse indiquée par le signal lumineux modulé. En effet, le signal lumineux modulé est émis par une lampe LED 20 envoyant un identifiant de type « Manchester asymétrique » connu de l'homme du métier. Le téléphone déclenche ledit contenu multimédia jusqu'à 25 cm de la lampe, c'est-à-dire pour des valeurs supérieures à 23 500 Lux de la lampe LED. Lorsque l'on éloigne le téléphone de la lampe, le signal lumineux modulé reçu par le module photovoltaïque n'est plus suffisant pour être décodé par l'application. Pour pallier à ce problème et ainsi 25 augmenter la portée du signal lumineux modulé, il suffit d'éclairer la surface du téléphone avec une lampe torche à flux non modulé (test réalisé pour des lampes torches à LEDs blanche et UV/bleu profond). En ajoutant au signal LiFi une lumière ambiante dont l'intensité n'est pas modulée, l'application fonctionne jusqu'à une distance de 57cm, soit un signal lumineux modulé d'intensité 5300 Lux. On multiplie donc la portée par un facteur 2 grâce à 30 l'éclairage du module photovoltaïque par une lumière non modulée. Autrement dit, on réduit l'intensité lumineuse globale (modulée et non modulée) nécessaire à la détection du signal, qui est égale à 9500 Lux dans cet exemple. Il est à noter que la somme des intensités lumineuses modulée et non modulée prises séparément n'est a priori pas égale du point de vue du récepteur photovoltaïque objet de l'invention à la somme des intensités lumineuses 35 des deux sources allumées simultanément. REVENDICATIONS1 - Dispositif de communication sans fil utilisant la lumière, comprenant au moins : - une source (7) de lumière émettant un signal lumineux modulé (5) ; - un module photovoltaïque (1) apte à recevoir ledit signal lumineux modulé (5); - un convertisseur analogique/numérique (3) connecté électriquement aux bornes de sortie dudit module photovoltaïque (1), permettant de convertir le signal analogique délivré par le module photovoltaique (1) en un signal numérique; - caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de polarisation (2) dudit module photovoltaïque (1) apte à générer une tension de polarisation (Vo) appliquée aux bornes dudit module photovoltaïque (1), et un module de gestion (4) apte à optimiser ladite tension de polarisation (Vo) vers une tension de seuil (Vs) correspondant à un rapport signal sur bruit (SNR) et un débit de communication améliorés. 2 - Dispositif de communication selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de polarisation (2) dudit module photovoltaïque (1) est constitué par un générateur de tension apte à générer une tension électrique aux bornes du module photovoltaïque, la dite tension étant équivalente à celle générée par un l'éclairage complémentaire non modulé, distinct du signal lumineux modulé (5). 3 - Dispositif de communication selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de polarisation (2) dudit module photovoltaïque (1) est composé d'au moins une source de lumière continue (10) complémentaire et distincte du signal lumineux modulé (5), ladite lumière continue (10) éclairant également la surface active dudit module photovoltaïque (1) de manière à créer une tension de polarisation (Vo) contrôlée par ledit module de gestion (4). 4 - Dispositif de communication selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite lumière continue est guidée dans une plaque transparente (9) qui est positionnée au-30 dessus de la surface active du module photovoltaïque (1) de manière à ce que ladite lumière continue atteigne la surface active du module photovoltaïque (1). 5 - Dispositif de communication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit module photovoltaïque (1) ou la source (7) de 35 lumière modulée (5) ou la plaque transparente (9) ou la source de lumière continue (10) 3038134 10 comportent en outre un système optique (11,12) de type lentille, filtre spectral ou filtre à polarisation. 6 - Dispositif de communication selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que ledit module photovoltaïque (1) est semi-transparent, composé d'une pluralité de zones actives photovoltaïques opaques espacées par des zones de transparence. 7 - Dispositif de communication selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que ledit module photovoltaïque (1) est constitué d'une cellule photovoltaïque unique ou d'une pluralité de cellules photovoltaïques connectées électriquement en série ou en parallèle. 8 - Dispositif de communication selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que ledit module de gestion (4) est configuré pour définir par itérations successives la valeur de la tension de polarisation optimale (Vs) correspondant au meilleur rapport signal sur bruit ou au meilleur débit de la communication. 9 - Dispositif de communication selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit 20 module de gestion (4) comporte un programme de traitement prenant en compte en temps réel le signal de sortie du convertisseur analogique - numérique (3) et la valeur de la tension correspondant à l'éclairage complémentaire non modulé. 10 - Procédé d'optimisation du rapport signal sur bruit et du débit de communication 25 d'un dispositif de communication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes consistant à : 1) Initialiser le système par : a) Une mesure du niveau de signal aux bornes du module photovoltaïque (1) (DC_ini) b) Une mesure du rapport signal sur bruit de référence (SNR_ref) c) Le choix d'une tension de polarisation maximale admissible 2) Adapter la polarisation du module photovoltaïque en : a) augmentant la tension de polarisation (Vo) ; b) mesurant le rapport signal sur bruit (SNR_mes), et comparant ledit rapport signal sur bruit mesuré (SNR_mes) avec le rapport signal sur bruit de référence (SNR_ref) ; 3038134 c) Si SNR_ref SNR_mes alors SNR_mes = SNR_ref et retourner à l'étape 2)a) ; d) Si SNR_ref > SNR_mes, on polarise le module avec la valeur précédente de polarisation, qui correspond à la valeur optimale (Vs). 5