Nyt materiale kunne fremskynde undervandskommunikation i størrelsesordener

(Phys.org) — University of California, San Diego elektroingeniørprofessor Zhaowei Liu og kolleger har taget de første skridt i et projekt for at udvikle hurtigt blinkende LED-systemer til optisk undervandskommunikation.

I 6. januar udgaven af Natur nanoteknologi , Liu og kolleger viser, at et kunstigt metamateriale kan øge lysintensiteten og "blinkhastigheden" af et fluorescerende lysemitterende farvestofmolekyle.

De nanomønstrede lag af sølv og silicium i det nye materiale fremskyndede molekylets blinkhastighed til 76 gange hurtigere end normalt, samtidig med at dens lysstyrke øges 80 gange.

"Hovedformålet med dette program er at udvikle en bedre lyskilde til kommunikationsformål, " sagde Liu. "Men dette er kun et første skridt i hele historien. Vi har bevist, at denne kunstige, menneskeskabt materiale kan designes til at forbedre lysudsendelse og intensitet, men det næste skridt vil være at anvende dette på konventionelle LED'er."

Ekstrem blinkehastighed – ultrahurtig modulering – i blå og grønne lysdioder er et manglende led, der er nødvendigt for at øge hastigheden, hvormed information kan sendes via optiske kanaler gennem det åbne vand, mellem skibe og ubåde, ubåde og dykkere, undervandsmiljøsensorer og ubemandede undervandsfartøjer, eller andre kombinationer.

Hvis den forbedres dramatisk, optisk trådløs kommunikation kan i sidste ende erstatte akustiske undervandskommunikationssystemer til kortdistanceapplikationer. Akustisk kommunikation er begrænset af langsom hastighed og lave datahastigheder og kan muligvis forårsage nød for hvaler, delfiner og andet havliv. At gøre dette, de skal udvikle blå og grønne LED-systemer, der blinker en eller to størrelsesordener hurtigere end nutidens blå og grønne galliumnitrid (GaN) baserede LED'er.

I undervands optiske trådløse kommunikationssystemer, data konverteres fra et elektrisk signal til optiske bølger, der bevæger sig gennem vandet fra en lyskilde såsom en LED til en optisk modtager. Blinkende blå og grønne lysdioder bruges allerede til at overføre information gennem vandet. (Blå og grønne LED'er bruges, fordi deres lys er mindre tilbøjelige til at blive absorberet af vandet end andre farver.)

Metamaterialerne udviklet af forskerne er syntetiske, med egenskaber, der ikke findes i naturen, og er specielt designet til at accelerere lysgenereringsprocessen.

Indtil nu, det har været svært direkte at konvertere et elektrisk signal til et optisk signal i lysdioder med passende hastighed. I øjeblikket, blinkhastigheden for de fleste af disse konverterede signaler er mindre end én gigahertz, en hastighed, der er langsommere end hastigheden af ​​de fleste WiFi-signaler, sagde Liu.

Materialerne er designet til at have ekstremt stærke vekselvirkninger med de lysemittere, der er specifikke for bølgelængden - eller farven - af emissionerne. I den nye rapport, forskerne brugte et farvestofmolekyle, der afgiver en gul-grøn nuance. Så næste skridt bliver at parre materialerne med de blå og grønne LED'er.

"Designet af materialerne er måske ikke det sværeste, " sagde UC San Diego kandidatstuderende Dylan Lu, hovedforfatteren af Natur nanoteknologi papir, som bemærkede, at de vil arbejde med LED'er, der er blevet fremstillet efter en specifik industristandard. "Jeg tror, ​​den største udfordring, at anvende det på LED'er, vil være et integrationsproblem."

Liu vandt for nylig en bevilling fra Office of Naval Research (ONR) til at udvikle de hurtigt blinkende blå og grønne LED-systemer, som inkluderer lidt mere end $500, 000 over tre år.

Sammen med elektro- og computeringeniørprofessorerne Paul Yu og Eric Fullerton, Liu sigter mod til sidst at teste ultrahurtigt blinkende LED-konfigurationer i San Diegos havvand.

"Vi startede fra fremskridt inden for grundlæggende materialeforskning, og vi ønsker at overføre viden til LED-forretningen, " sagde Liu.