Λεπτά υμένια διοξειδίου του βαναδίου V02 ως οπτικά φίλτρα στην περιοχή των Ασύρματων Οπτικών Επικοινωνιών: Θεωρητική και Πειραματική Διερεύνηση

Τα συστήματα οπτικών επικοινωνιών (Visible Light Communications - VLC) προσελκύουν έρευνα και εμπορικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω των αξιοσημείωτων χαρακτηριστικών τους, όπως το υψηλό ποσοστό δεδομένων, το χαμηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας και το γεγονός ότι είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Ο πομπός σε τέτοια συστήματα μπορεί να είναι μία δίοδος εκπομπής φωτός (Light-Emitting Diode – LED) που προσφέρει πλεονεκτικές ιδιότητες όπως η φωτεινότητα, η εξαιρετικά υψηλή μετάδοση δεδομένων και η μεγάλη διάρκεια ζωής, ενώ οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται ως δέκτες. Επομένως, τα συστήματα χρησιμοποιούνται ήδη για εφαρμογές δικτύων επικοινωνίας τεχνολογίας 5G. Ωστόσο, η απόδοση των συστημάτων (VLC) μειώνεται λόγω του θορύβου του περιβάλλοντος που προκαλείται κυρίως από την ακτινοβολία του ηλιακού φωτός. Προκειμένου να μειωθεί ο θόρυβος του ηλιακού φωτός, στην εργασία αυτή μελετάται η εφαρμογή ενός οπτικού φίλτρου διοξειδίου του βαναδίου (Vanadium dioxide - VO2) μπροστά από τον δέκτη με σκοπό την βελτίωση του Signal-to-Noise Ratio – SNR του συστήματος (Visible Light Communications – VLC). Η μετάβαση μετάλλου μονωτή (Metal-Insulator-Transition - ΜΙΤ) του διοξειδίου του βαναδίου (Vanadium dioxide - VO2) σε θερμοκρασία 340 Κ συνοδεύεται από μεγάλη μεταβολή της ηλεκτρικής του αντίστασης αλλά και της οπτικής του διαπερατότητας σε συνδυασμό με την πολύ γρήγορη αλλαγή φάσης της δομής. Η οπτική διαπερατότητα του διοξειδίου του βαναδίου (Vanadium dioxide - VO2) φαίνεται να μειώνεται μετά την μετάβαση μετάλλου μονωτή σε ένα εύρος μηκών κύματος ορατού και υπερύθρου με μέγιστη διαπερατότητα στα 650-700nm δίνοντας έτσι την δυνατότητα χρήσης του διοξειδίου του βαναδίου (Vanadium dioxide - VO2) ως οπτικό φίλτρο. Συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν λεπτά υμένια πεντοξειδίου του βαναδίου (Vanadium- pentoxide - V2O5) με την μέθοδο της φυσικής εναπόθεσης ατμού (Physical Vapor Deposition – PVD), όπου ανάχθηκαν σε λεπτά υμένια (VO2). Έγινε χαρακτηρισμός των δειγμάτων με μετρήσεις περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ και μετρήθηκε η ηλεκτρική τους αντίσταση ως προς τη θερμοκρασία αλλά και η οπτική τους διαπερατότητα ως προς το μήκος κύματος και ως προς την θερμοκρασία. Στην συνέχεια, μελετήθηκε η απόδοση, βελτίωση του SNR του συστήματος (VLC) μετά την εφαρμογή των πειραματικών αποτελεσμάτων ενός οπτικού φίλτρου διοξειδίου του βαναδίου (VO2) μπροστά από τον δέκτη για να μειωθεί ο θόρυβος του ηλιακού φωτός. Τα ληφθέντα αποτελέσματα απεικονίζονται μέσω κατάλληλων τρισδιάστατων σχημάτων.Visible Light Communications (VLC) systems have attracted research and commercial interest over the last few years due to the remarkable characteristics such as the high data rate, low installation and operational cost and the fact that they are environmentally friendly. The transmitter in such systems can be a LED that offers advantageous properties such as brightness, extremely high data transmission and long lifetime, whereas photodiodes are employed as receivers. Therefore, VLC is already used for applications of 5G technology communication networks. However indoor VLC’s performance is decreased due to the background noise which is mainly caused by the sunlight radiation. In order to reduce the noise of sunlight, in this work is studied the application of a vanadium dioxide (VO2) optical filter in front of the receiver for the improvement of a VLC system’s Signal-to-Noise Ratio (SNR). The Metal-Insulator-Transition (MIT) of the Vanadium dioxide (VO2) at a temperature of 340 K is accompanied by a large change in its electrical resistance and optical transmittance combined with its very rapid phase shift structure. The Vanadium dioxide - VO2 optical transmittance appears to decrease after the metal insulator transition to a range of visible and infrared wavelengths with a maximum transmittance of 650-700nm giving the possibility of using vanadium dioxide VO2 as an optical filter. In particular, thin vanadium pentoxide (V2O5) films were prepared by the Physical Vapor Deposition (PVD) method, where they were reduced to thin films (VO2).The samples were characterized by X-ray diffractometry measurements and their electrical resistance was measured in terms of both temperature and optical transmittance in terms of wavelength and temperature. Then, the performance, improvement SNR of the system (VLC) was studied after applying the experimental results of an optical vanadium dioxide (VO2) filter in front of the receiver to reduce sunlight noise. The obtained results are illustrated through suitable three dimensional figures