GaN-Based Micro-LED Visible Light Communication: Line-of-Sight VLC with Active Tracking and None-Line-of-Sight VLC Demonstration

abstract: Visible light communication (VLC) is the promise of a high data rate wireless network for both indoor and outdoor uses. It competes with 5G radio frequency (RF) system as well. Even though the breakthrough of Gallium Nitride (GaN) based micro-light-emitting-diodes (micro-LEDs) enhances the -3dB modulation bandwidth dramatically from tens of MHz to hundreds of MHz, the optical power onto a fast photo receiver drops exponentially. It determines the signal to noise ratio (SNR) of VLC. For full implementation of the useful high data-rate VLC link enabled by a GaN-based micro-LED, it needs focusing optics and a tracking system. In this dissertation, we demonstrate a novel active on-chip monitoring system for VLC using a GaN-based micro-LED and none-return-to-zero on-off keying (NRZ-OOK) modulation scheme. By this innovative technique without manual focusing, the field of view (FOV) was enlarged to 120° and data rates up to 600 Mbps at a bit error rate (BER) of 2.1×10⁻⁴ were achieved. This work demonstrates the establishment of a VLC physical link. It shows improved communication quality by orders, making it optimized for real communications. This dissertation also gives an experimental demonstration of non-line-of-sight (NLOS) visible light communication (VLC) using a single 80 μm gallium nitride (GaN) based micro-light-emitting diode (micro-LED). IEEE 802.11ac modulation scheme with 80 MHz bandwidth, as an entry level of the fifth generation of Wi-Fi, was employed to use the micro-LED bandwidth efficiently. These practical techniques were successfully utilized to achieve a demonstration of line-of-sight (LOS) VLC at a speed of 433 Mbps, and a bit error rate (BER) of 10⁻⁵ with a free space transmit distance 3.6 m. Besides this, we demonstrated directed NLOS VLC links based on mirror reflections with a data rate of 433 Mbps and a BER of 10⁻⁴. For non-directed NLOS VLC using a print paper as the reflective material, 195 Mbps data rate and a BER of 10⁻⁵ was achieved.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Optical Wireless Data Center Networks

Bandwidth and computation-intensive Big Data applications in disciplines like social media, bio- and nano-informatics, Internet-of-Things (IoT), and real-time analytics, are pushing existing access and core (backbone) networks as well as Data Center Networks (DCNs) to their limits. Next generation DCNs must support continuously increasing network traffic while satisfying minimum performance requirements of latency, reliability, flexibility and scalability. Therefore, a larger number of cables (i.e., copper-cables and fiber optics) may be required in conventional wired DCNs. In addition to limiting the possible topologies, large number of cables may result into design and development problems related to wire ducting and maintenance, heat dissipation, and power consumption. To address the cabling complexity in wired DCNs, we propose OWCells, a class of optical wireless cellular data center network architectures in which fixed line of sight (LOS) optical wireless communication (OWC) links are used to connect the racks arranged in regular polygonal topologies. We present the OWCell DCN architecture, develop its theoretical underpinnings, and investigate routing protocols and OWC transceiver design. To realize a fully wireless DCN, servers in racks must also be connected using OWC links. There is, however, a difficulty of connecting multiple adjacent network components, such as servers in a rack, using point-to-point LOS links. To overcome this problem, we propose and validate the feasibility of an FSO-Bus to connect multiple adjacent network components using NLOS point-to-point OWC links. Finally, to complete the design of the OWC transceiver, we develop a new class of strictly and rearrangeably non-blocking multicast optical switches in which multicast is performed efficiently at the physical optical (lower) layer rather than upper layers (e.g., application layer). Advisors: Jitender S. Deogun and Dennis R. Alexande

Μελέτη τοπικών δικτύων που βασίζονται σε ενσύρματα και ασύρματα οπτικά μέσα

Στη παρούσα διατριβή καλύφθηκαν δύο θεματικές ενότητες στις οποίες εξετάστηκε η δυνατότητα ανάπτυξης ζεύξεων που βασίζονται σε οπτικές τεχνολογίες για την κάλυψη μικρών αποστάσεων. Η πρώτη θεματική ενότητα αφορά ενσύρματες μεταδόσεις. Δεδομένου ότι στο τμήμα των δικτύων πρόσβασης οι ρυθμοί προβλέπεται να αυξηθούν στο κοντινό μέλλον, αντίστοιχη αύξηση ρυθμών θα πρέπει να υποστηριχθεί στον εσωτερικό χώρο όπου θα καταλήξει η ίνα. Σε ένα περιβάλλον όπου επικρατεί η οπτική δικτύωση, τίθεται το ζήτημα της επιλογής του οπτικού καλωδίου για την κάλυψη δεκάδων μέτρων σε κάποιο εσωτερικό περιβάλλον. Μία οικονομικά προσιτή επιλογή είναι η πλαστική οπτική ίνα με πυρήνα διαμέτρου 980 μm κατασκευασμένη από το υλικό PMMA. Παρά τα πλεονεκτήματα που ενσωματώνει ως οπτική λύση, έχει σημαντικούς περιορισμούς που θα δυσκόλευαν τη μαζική εγκατάσταση αυτού του τύπου καλωδίου και έχουν να κάνουν με τις σχετικά υψηλές απώλειες και με το περιορισμένο εύρος ζώνης. Αυτό που εξετάστηκε ήταν κατά πόσο είναι εφικτή η επέμβαση απευθείας στην ίνα από PMMA, ώστε να τροποποιηθούν τα χαρακτηριστικά της. Αυτά που προέκυψαν ήταν η αύξηση του εύρους ζώνης κατά περίπου 40% και μία μικρή μείωση των απωλειών των τμημάτων των ινών που υπέστησαν μία συγκεκριμένη διαδικασία θέρμανσης. Για καθεμία ίνα 50 μέτρων που θερμάνθηκε κατάλληλα, μία αντίστοιχη ίνα αναφοράς ίδιου μήκους από τον ίδιο κατασκευαστή χρησιμοποιήθηκε για τις συγκρίσεις. Τα επικερδή αποτελέσματα προέκυψαν υπό την προϋπόθεση ότι η πηγή laser και η ίνα είναι άμεσα συνδεδεμένες, με τη στενή οπτική δέσμη να εισέρχεται εστιασμένη στο κέντρο του πυρήνα της ίνας. Ωστόσο, όταν η εισερχόμενη δέσμη καλύπτει την επιφάνεια της διατομής του πυρήνα, τότε οι θερμικά κατεργασμένες και οι αντίστοιχες ίνες αναφοράς έδωσαν παρόμοια αποτελέσματα όσον αφορά το εύρος ζώνης, ενώ παρέμεινε μία μικρή μείωση των απωλειών για τις θερμικά κατεργασμένες ίνες. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε διάρκεια μεγαλύτερη του ενός έτους, κατά τις οποίες διατηρήθηκε η βελτίωση για τις θερμικά κατεργασμένες ίνες. Η ερμηνεία των φαινομένων επιβεβαιώθηκε μέσω προσομοιώσεων και τα θεωρητικά αποτελέσματα συμβάδιζαν σε μεγάλο βαθμό με τα αντίστοιχα πειραματικά. Στη δεύτερη θεματική ενότητα, που αφορά τις οπτικές ασύρματες μεταδόσεις σε εξωτερικό περιβάλλον, ο στόχος ήταν η κάλυψη μικρών αποστάσεων υπό καθεστώς διάχυτων μεταδόσεων σε χαμηλούς ρυθμούς δεδομένων. Οι οπτικές τεχνολογίες προσφέρουν διέξοδο στους περιορισμούς των συμβατικών συστημάτων μικροκυματικών επικοινωνιών. Οι απαιτήσεις που τέθηκαν ήταν η έλλειψη οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη και η περιορισμένη υποβάθμιση της λειτουργίας μίας ζεύξης από το θόρυβο του περιβάλλοντος, και συγκεκριμένα από τον ήλιο. Η έλλειψη οπτικής επαφής επιβάλλει την ύπαρξη κάποιου μηχανισμού που θα δώσει τη δυνατότητα εγκατάστασης ζεύξεων διάχυτων μεταδόσεων. Αυτός ο μηχανισμός είναι η σκέδαση λόγω των μορίων και των μικροσωματιδίων της ατμόσφαιρας. Μήκη κύματος σε συμβατικά συστήματα οπτικών ασύρματων επικοινωνιών δεν παρουσιάζουν έντονη σκέδαση, ενώ το επίπεδο του θορύβου του ηλίου που φθάνει στην επιφάνεια της γης δεν είναι αμελητέο. Μία μπάντα μηκών κύματος που επιτρέπει τις μεταδόσεις με διάχυτο τρόπο με το επίπεδο της ισχύος που φθάνει από τον ήλιο στην επιφάνεια του γης να είναι ιδιαίτερα χαμηλό βρίσκεται μεταξύ 200 nm και 280 nm και ονομάζεται ηλιακά τυφλό τμήμα της C μπάντας της υπεριώδους ακτινοβολίας. Αρχικά, η μελέτη σε αυτή την ενότητα περιλάμβανε τη μοντελοποίηση των καναλιών για ζεύξεις δύο σημείων με εφαρμογή τεχνικών μονής και πολλαπλών σκεδάσεων φωτονίων σε αυτή την περιοχή μηκών κύματος. Επίσης, θεωρήθηκαν μεταδόσεις παλμικών σημάτων και σημάτων πολλαπλών φερόντων, ενώ μοντελοποιήθηκε και η λειτουργία μίας απλής δικτυακής υποδομής, όπου η πρόσβαση στο μέσο ρυθμιζόταν μέσω ενός σχήματος πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση κώδικα. Εκτός από τις δυνατότητες μετάδοσης υπό καθαρή ατμόσφαιρα, τέθηκε το ζήτημα της λειτουργίας υπό καθεστώς πυκνότερης ατμόσφαιρας, όπως με την εμφάνιση ομίχλης. Τα αποτελέσματα έδειξαν μία σημαντική μείωση των απωλειών και μία βελτίωση στο εύρος ζώνης. Οι αλλαγές ήταν συνάρτηση της πυκνότητας της ατμόσφαιρας και του μεγέθους των σκεδαστών που λαμβάνονταν υπόψη στις πιο πολύπλοκες εκδοχές των μοντέλων που δοκιμάστηκαν για κάποιους γεωμετρικούς σχηματισμούς. Όσον αφορά τις θεωρητικές μεταδόσεις σημάτων, το αποτέλεσμα της διάδοσης μέσα από το πυκνότερο μέσο ήταν η μείωση των απαιτούμενων επιπέδων ισχύος εκπομπής για τη λειτουργία των ζεύξεων και η μείωση της αλληλοπαρεμβολής συμβόλων σε κάποιες περιπτώσεις όπου υπό καθαρή ατμόσφαιρα το εύρος ζώνης ήταν περιορισμένο. Τα χαμηλότερα απαιτούμενα επίπεδα ισχύος εκπομπής για την επίτευξη συγκεκριμένων ρυθμών σφαλμάτων bits υπό πυκνή σε σχέση με την αραιή ατμόσφαιρα επιβεβαιώθηκαν και στην περίπτωση του δικτυακού σεναρίου όπου πολλαπλοί κόμβοι εκπέμπουν με κάποια πιθανότητα ταυτόχρονα με κάποιον επιθυμητό κόμβο. Στο πειραματικό κομμάτι, εγκαταστάθηκαν ζεύξεις δύο σημείων. Στο οπτικό τμήμα, ο πομπός αποτελούνταν από LEDs και ο δέκτης από ένα φίλτρο και ένα φωτοπολλαπλασιαστή. Το πρώτο στάδιο περιλάμβανε τη μέτρηση των απωλειών υπό καθαρή ατμόσφαιρα μέχρι και τα 20 μέτρα, για ένα μεγάλο πλήθος γωνιών ανύψωσης του πομπού και του δέκτη. Με την εισαγωγή τεχνητής ομίχλης στο μέσο χρησιμοποιώντας μία μηχανή ομίχλης, προέκυψε καθαρή πτώση των απωλειών, η οποία, ωστόσο, ήταν διαφορετική για διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ πομπού και δέκτη και διαφορετικά ζεύγη γωνιών ανύψωσης για γεωμετρικούς σχηματισμούς ζεύξεων χωρίς οπτική επαφή. Σε κάποιες ζεύξεις, η μείωση των απωλειών ξεπέρασε τα 7 dB σε μεγάλο πλήθος διαδοχικών δειγμάτων σήματος που λαμβάνονταν, ενώ υπήρχαν και περιπτώσεις σχηματισμών όπου οι ελάχιστες τιμές των απωλειών ήταν ακόμα και πάνω από 10 dB μικρότερες σε σχέση με την καθαρή ατμόσφαιρα. Το δεύτερο στάδιο των πειραματικών μετρήσεων περιλάμβανε την αξιολόγηση των επιδόσεων των ζεύξεων όσον αφορά τον ρυθμό σφαλμάτων bits για μεταδόσεις σήματος διαμορφωμένου κατά ένα παλμικό (4-PPM) και κατά ένα σχήμα πολλαπλών φερόντων (Flip-OFDM) σε ρυθμούς λίγων kilobit/s. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία με τη μέτρηση των απωλειών, για το μεγαλύτερο δυνατό πλήθος ζευγών γωνιών ανύψωσης και για τις ίδιες αποστάσεις, μετρήθηκε ο ρυθμός σφαλμάτων bits για ρυθμό 10 kbit/s, όπου φάνηκε η ανωτερότητα του 4-PPM λόγω της βέλτιστης διαδικασίας φώρασης. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε ξανά η μηχανή ομίχλης για την αξιολόγηση της επίδρασης της πύκνωσης του μέσου στις επιδόσεις της υπό εξέτασης ζεύξης κάθε φορά. Με την εμφάνιση τεχνητής ομίχλης προέκυψε και πειραματικά η αναμενόμενη πτώση του ρυθμού σφαλμάτων bits για ρυθμούς 10 kbit/s για το 4-PPM και το Flip-OFDM και 4 kbit/s για το Flip-OFDM, για διάφορους γεωμετρικούς σχηματισμούς της ζεύξης, χωρίς οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη. Η πτώση αυτή ξεπερνούσε σε κάποιες περιπτώσεις ζεύξεων ακόμα και τις δύο τάξεις μεγέθους. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση της ομίχλης σε ζεύξεις με οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη όπου φίλτρο και φωτοπολλαπλασιαστής αντικαταστάθηκαν από ένα κατάλληλο φακό και μία φωτοδίοδο pin. Η επίδραση της ομίχλης ήταν αρνητική επιδεινώνοντας τόσο τις απώλειες όσο και το ρυθμό σφαλμάτων bits.In the present dissertation, two sections were covered that concerned the investigation of the potential deployment of links for short distances that are based on optical technologies. The first section concerns wired transmissions. Provided that data rates in the access network segment are expected to increase in the near future, a respective increase of rates must be supported in an indoor environment where the fiber will terminate. In an environment where optical cabling dominates, an issue that emerges is the type of fiber cable that will be selected for covering tens of meters in indoor areas. A cost-effective choice is the plastic optical fiber with 980 μm core diameter manufactured by PMMA material. Despite the advantages of such fibers as an optical solution, they have significant limitations that would prohibit the massive installation of such a type of cable. These limitations are related to the increased power losses and the limited bandwidth. The question that was answered was how feasible is the direct intervention in the optical fiber, in order its attributes to be modified. The results were a bandwidth increase of almost 40% and a slight decrease of power losses of the plastic optical fibers that went through a specific heating procedure. For each 50 meters plastic optical fiber segment that was thermally treated, a respective reference fiber of equal length from the same manufacturer was used for the comparisons. The profitable results appeared under the condition of direct connection of the laser with the plastic optical fiber, with the narrow optical beam launched focused in the center of the fiber core. However, under overfilled launching conditions, the thermally treated plastic optical fibers gave similar results to those of the respective reference fibers in terms of the bandwidth values that were measured, whereas a slight decrease of the power losses of the thermally treated fibers was measured again. During a longer than a year interval of occasional measurements, the improvement of the thermally treated fibers was preserved. The explanation of the phenomena was confirmed through simulations and the theoretical results were compatible with the respective experimental results. In the second section, which concerns the optical wireless transmissions in an outdoor environment, the target was the coverage of short distances under the regime of diffuse transmissions with low data rates. The commonly used optical alternatives mitigate the limitations of the conventional microwave communications. The requirements that were defined were the absence of Line-Of-Sight (LOS) components between the transmitter and the receiver and the insignificant degradation of the operation of the link due to the ambient noise, especially by the sun. The Non-Line-Of-Sight (NLOS) regime imposes the existence of a mechanism that will give the opportunity to install links where diffused transmissions are applied. This mechanism is the scattering due to the molecules and the aerosols in the atmosphere. Wavelengths of conventional optical wireless communication systems do not scatter intensely, whereas the noise level of the sun that reaches the earth surface is not negligible. A band that allows the realization of transmissions in a diffused way with a particularly low power level from the sun on the earth surface lies between 200 nm and 280 nm and is called solar blind Ultraviolet C (UV-C) band. Initially, the survey included the channel modeling of point-to-point links applying single and multi-scattering schemes for this range of wavelengths. Moreover, transmissions of pulsed and multicarrier signals were considered and the operation of a simple network infrastructure was modeled, as well. In the network scenario, the access to the medium was regulated by a Code Division Multiple Access (CDMA) scheme. Apart from the transmission under clear atmosphere conditions, the issue of the operation under a thicker atmosphere regime, like when fog appears, was also investigated. According to the results, a significant decrease of the power losses and an amelioration of the bandwidth appeared. The deviation from the initial results obtained under clear sky conditions was a function of the atmosphere density and the size of the scattering centers’ radii that were taken into account in the more complex version of the models that were regarded for some geometric configurations. In terms of the theoretical transmissions of signals, the propagation through a medium with larger density resulted in the reduction of the required power levels for the operation of the links in specific performance boundaries and the limitation of the intersymbol interference in some cases where the bandwidth was low under a clear atmosphere regime. Furthermore, in the networking scenario, when multiple nodes transmit simultaneously according to a probability, the lower optical power levels required in order to achieve specific Bit Error Rate (BER) values under a thick atmosphere case compared to the case of clear atmosphere were verified. In the experimental part, point-to-point links were deployed. In the optical part, the transmitter consisted of Light Emitting Diodes (LEDs) and at the receiving side an optical filter was followed by a Photo-Multiplier Tube (PMT). The first stage included the measurement of the power losses under clear atmosphere conditions up to 20 meters baseline range, for a large number of transmitter and receiver elevation angles. When artificial fog appeared in the wireless medium using a fog machine, a clear decrease of the power losses was measured, which was different for several distances between the transmitter and the receiver and several elevation angle pairs for non-line-of-sight configurations. For some links that were tested, the reduction of the power losses was over 7 dB during a large number of successive signal samples that were received. The lower values of the losses measured for some configurations were more than 10 dB lower compared to clear atmosphere. The second stage of the experimental measurements included the performance evaluation of the links in terms of the BER for transmissions of a 4-PPM modulated signal and a Flip-OFDM modulated signal for kilobit/s rates. The bit error rate for 10 kbit/s data rate was measured for the largest number of elevation angle pairs that could be settled and for the same distances as in the losses measurements set. The optimum demodulation process of 4-PPM was the reason of its superiority. Then, the fog machine was used for the evaluation of the impact of the medium thickening on the performance of the link under investigation each time. When the artificial fog appeared, the expected decrease of bit error rate at 10 kbit/s data rate for 4-PPM and Flip-OFDM and at 4 kbit/s data rate for Flip-OFDM was verified for several non-line-of-sight geometric configurations. The amelioration was over two orders of magnitude for some link cases than the respective measurements under clear sky conditions. Finally, the impact of fog on line-of-sight links was investigated. For these links, the filter and the Photo-Multiplier Tube were replaced by a proper lens and a pin photodiode. The appearance of fog had a devastating impact on performance, as a significant deterioration of the losses and the bit error rate appeared