Avanço! O LED de ultravioleta distante atinge uma taxa de transmissão de dados recorde de 1,5 Gbit/s.

Investigadores do Instituto Ferdinand Braun — Instituto Leibniz de Tecnologia de Alta Frequência (FBH), em Berlim, Alemanha, bem como do Instituto de Fotônica da Universidade de Strathclyde, no Reino Unido, e do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento LiFi da Universidade de Cambridge, utilizaram novos Díodos emissor de luz (LED) de ultravioleta distante (far-UVC) para alcançar taxas de transmissão de dados de até 1,5 Gbit/s. Estes dispositivos, desenvolvidos pelo FBH, estabeleceram um novo recorde de velocidade no campo das comunicações ópticas sem fio em comprimentos de onda inferiores a 235 nm.

A tecnologia de ultravioleta distante apresenta vantagens únicas para comunicações ao ar livre: nessa faixa do espectro, a luz solar praticamente não gera sinais de fundo. Por isso, essa tecnologia tem o potencial de viabilizar enlaces confiáveis de comunicação óptica externa, complementando as comunicações por radiofrequência em situações onde estas atingem seus limites de desempenho. Veículos autônomos, drones, máquinas industriais conectadas, robôs e aplicações de proteção civil dependem de conexões de dados sem fio confiáveis. Ao mesmo tempo, um número crescente de sistemas disputa os recursos limitados de frequência.

As comunicações ópticas sem fio podem complementar eficazmente as tecnologias de radiofrequência. No entanto, sistemas que utilizam luz visível ou infravermelha enfrentam um grande desafio em ambientes externos: o Sol também emite radiação nessas faixas de comprimento de onda. A radiação de fundo solar pode interferir nos sinais ópticos, dificultando a transmissão confiável de dados. Por esse motivo, tais sistemas frequentemente exigem um alinhamento preciso do feixe de luz.

Comunicações em UVC não sofrem interferência da radiação de fundo solar

Na faixa abaixo de 280 nm, quase toda a radiação solar é absorvida pela parte superior da atmosfera, de modo que pouca radiação solar chega à superfície terrestre. Assim, as comunicações ópticas sem fio que utilizam luz UVC praticamente não são afetadas pelos sinais de fundo solares. Neste experimento, os pesquisadores empregaram luz ultravioleta distante com comprimento de onda inferior a 235 nm. Essa radiação é fortemente absorvida pelas camadas externas inativas da pele e, comparada à radiação ultravioleta de comprimentos de onda mais longos, penetra muito menos profundamente nos tecidos vivos. Por isso, essa luz ultravioleta é considerada segura para a saúde humana, sendo adequada a aplicações que exigem operação próxima ao corpo humano.

Otimização de LEDs de ultravioleta distante para alcançar taxas de transmissão com potencial prático

Segundo o Dr. Jan Ruschel, cientista sênior do FBH, “otimizamos especificamente os LEDs para aplicações de comunicação óptica nessa faixa espectral. A potência de saída desses dispositivos está entre as mais altas em pesquisas internacionais similares, além de permitirem modulações particularmente rápidas. Isso os torna ideais tanto para trocas de dados ópticas internas quanto externas.” Para isso, a equipe do FBH dividiu a superfície emissora dos LEDs de ultravioleta distante em numerosas áreas menores. Esse design reduz a capacitância de junção e aumenta a densidade de corrente. Assim, em comparação com dispositivos tradicionais de maior área de emissão, esses LEDs conseguem alcançar uma largura de banda de modulação superior.

LED de ultravioleta distante equipado com lente e refletor

Os pesquisadores da Universidade de Strathclyde e da Universidade de Cambridge utilizaram esses LEDs para montar e testar um sistema de comunicação óptica sem fio. Em condições de linha de visão direta entre o transmissor e o receptor, o sistema alcançou taxas de transmissão de até 1,5 Gbit/s a uma distância de 30 cm. Essas medições realizadas sob iluminação ambiente interna estabeleceram um novo recorde para taxas de transmissão de dados em comunicações ópticas de curtas ondas.

Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto TITAN, do Centro Nacional de Pesquisa em Telecomunicações do Reino Unido. O projeto é liderado pela Universidade de Cambridge e financiado pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Naturais do Reino Unido (EPSRC). Recentemente, os pesquisadores apresentaram os resultados na Conferência Internacional sobre Sistemas de Comunicação, Redes e Processamento Digital de Sinais. (DOI do artigo: 10.1109/CSNDSP68462.2026.11654373)

Próximos passos: viabilizar comunicações fora da linha de visão em maiores distâncias

A tecnologia de ultravioleta distante pode ainda oferecer outra vantagem. As moléculas presentes no ar dispersam a luz; esse fenômeno, conhecido como espalhamento de Rayleigh, tende a ser mais intenso em comprimentos de onda mais curtos. Portanto, mesmo quando o transmissor e o receptor não estão diretamente alinhados ou quando obstáculos bloqueiam a linha de visão, parte do sinal óptico ainda pode alcançar o receptor. Essa característica torna a luz UVC especialmente adequada para investigar as chamadas comunicações fora da linha de visão. Os pesquisadores agora buscam determinar até que ponto os LEDs de ultravioleta distante podem aproveitar essa propriedade. Eles também planejam otimizar ainda mais os dispositivos de transmissão e recepção, visando alcançar distâncias de transmissão mais longas e com aplicação prática, além de estudar como as condições ambientais influenciam a trajetória do sinal. Segundo Ruschel, “atingir taxas de transmissão com relevância prática é um importante primeiro passo. Em seguida, queremos definir as distâncias e condições ambientais reais em que as comunicações por ultravioleta distante são viáveis, especialmente avaliando até que ponto essa tecnologia pode ser útil em situações sem linha de visão direta.”

Valor da pesquisa

Considerando todo o texto, o que merece destaque não é apenas a taxa de 1,5 Gbit/s, mas sim o potencial de aplicação dos LEDs de ultravioleta distante nas comunicações ópticas sem fio de curtas ondas.

Dois pontos merecem especial atenção:

• A taxa de 1,5 Gbit/s corresponde a resultados obtidos em condições de linha de visão de 30 cm e não indica que já tenha sido alcançada a comunicação externa de longa distância. Na prática, ainda será necessário validar a distância de transmissão, as perdas de enlace, a sensibilidade do receptor, a taxa de erro e a adaptabilidade às condições ambientais.

• As comunicações fora da linha de visão atualmente constituem uma linha de pesquisa futura, e não um resultado já validado neste artigo. O forte espalhamento de Rayleigh em curtas ondas pode ajudar o sinal a contornar as restrições de linha de visão, mas tal espalhamento também provoca perdas de energia, sendo necessário confirmar experimentalmente seu impacto real. Além disso, a segurança biológica da luz ultravioleta distante deve ser avaliada levando em conta o comprimento de onda, a intensidade da irradiação, o tempo de exposição e as normas de segurança aplicáveis; não se pode concluir que todas as condições de uso são seguras apenas com base na menor profundidade de penetração.

Do ponto de vista da indústria de LEDs de ultravioleta, a importância central desta pesquisa reside em: otimizar a estrutura dos dispositivos para aumentar a capacidade de modulação em alta velocidade dos LEDs de ultravioleta distante e explorar novas frentes de aplicação da luz UVC nas comunicações ópticas sem fio. Ela fornece evidências experimentais para expandir os usos tradicionais dos LEDs de ultravioleta distante, como desinfecção, rumo às comunicações ópticas de alta velocidade, embora ainda reste resolver várias questões técnicas antes de chegar a produtos comerciais maduros de comunicação.

Fonte: csa-uv