Les ingénieurs électriciens de l'UC San Diego ont démontré que les matériaux artificiels peuvent considérablement améliorer la vitesse des communications optiques. L'équipe a montré qu'un métamatériau artificiel peut augmenter la densité lumineuse et la vitesse de clignotement d'une molécule de colorant fluorescent. Crédit :Liu Research Group/UC San Diego
(Phys.org) —Université de Californie, Le professeur d'ingénierie électrique de San Diego, Zhaowei Liu, et ses collègues ont pris les premières mesures d'un projet visant à développer des systèmes LED à clignotement rapide pour les communications optiques sous-marines.
Dans le numéro du 6 janvier de Nature Nanotechnologie , Liu et ses collègues montrent qu'un métamatériau artificiel peut augmenter l'intensité lumineuse et la « vitesse de clignotement » d'une molécule de colorant fluorescent.
Les couches nanostructurées d'argent et de silicium dans le nouveau matériau ont accéléré le taux de clignotement de la molécule à 76 fois plus vite que la normale, tout en produisant une augmentation de 80 fois de sa luminosité.
"Le but principal de ce programme est de développer une meilleure source de lumière à des fins de communication, " dit Liu. "Mais ce n'est qu'une première étape dans toute l'histoire. Nous avons prouvé que cet artificiel, le matériau synthétique peut être conçu pour améliorer l'émission et l'intensité lumineuses, mais la prochaine étape sera de l'appliquer aux LED conventionnelles."
La vitesse de clignotement extrême - modulation ultrarapide - dans les LED bleues et vertes est un chaînon manquant nécessaire pour augmenter la vitesse à laquelle les informations peuvent être envoyées via des canaux optiques à travers l'eau libre, comme entre les navires et les sous-marins, sous-marins et plongeurs, capteurs environnementaux sous-marins et véhicules sous-marins sans pilote, ou d'autres combinaisons.
Si considérablement amélioré, les communications optiques sans fil pourraient éventuellement remplacer les systèmes de communications acoustiques sous-marines pour les applications à courte distance. Les communications acoustiques sont limitées par la vitesse lente et les faibles débits de données et peuvent éventuellement causer de la détresse aux baleines, dauphins et autres animaux marins. Pour faire ça, ils doivent développer des systèmes de LED bleues et vertes qui clignotent un ou deux ordres de grandeur plus rapidement que les LED bleues et vertes à base de nitrure de gallium (GaN) d'aujourd'hui.
L'étudiant diplômé de l'UC San Diego, Dylan Lu, travaille avec le professeur de génie électrique Zhaowei Liu sur un projet de développement de systèmes LED à clignotement rapide pour la communication optique sous-marine. Crédit:Josh Knoff/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Dans les systèmes de communications optiques sans fil sous-marins, les données sont converties d'un signal électrique en ondes optiques qui traversent l'eau à partir d'une source lumineuse telle qu'une LED vers un récepteur optique. Des LED bleues et vertes clignotantes sont déjà utilisées pour transférer des informations dans l'eau. (Les LED bleues et vertes sont utilisées car leur lumière est moins susceptible d'être absorbée par l'eau que les autres couleurs.)
Les métamatériaux développés par les chercheurs sont synthétiques, avec des propriétés introuvables dans la nature, et sont spécialement conçus pour accélérer le processus de génération de lumière.
Jusque là, il a été difficile de convertir directement un signal électrique en un signal optique dans des LED avec une vitesse adéquate. À l'heure actuelle, le taux de clignotement de la plupart de ces signaux convertis est inférieur à un gigahertz, un débit inférieur à la vitesse de la plupart des signaux WiFi, dit Liu.
Les matériaux sont conçus pour avoir des interactions extrêmement fortes avec les émetteurs de lumière qui sont spécifiques à la longueur d'onde - ou à la couleur - des émissions. Dans le nouveau rapport, les chercheurs ont utilisé une molécule de colorant qui dégage une teinte jaune-vert. La prochaine étape consistera donc à coupler les matériaux avec les LED bleue et verte.
"La conception des matériaux n'est peut-être pas la chose la plus difficile, " a déclaré Dylan Lu, étudiant diplômé de l'UC San Diego, l'auteur principal de la Nature Nanotechnologie papier, qui a noté qu'ils fonctionneront avec des LED qui ont été fabriquées selon une norme industrielle spécifique. "Je pense que le défi majeur, pour l'appliquer aux LED, sera un problème d'intégration."
Liu a récemment remporté une subvention de l'Office of Naval Research (ONR) pour développer les systèmes LED bleu et vert à clignotement rapide, qui comprend un peu plus de 500 $, 000 sur trois ans.
Aux côtés des professeurs de génie électrique et informatique Paul Yu et Eric Fullerton, Liu vise à tester à terme des configurations de LED clignotantes ultrarapides dans les eaux océaniques de San Diego.
« Nous sommes partis des avancées de la recherche fondamentale sur les matériaux, et nous voulons transférer les connaissances à l'activité LED, " dit Liu.
