(Phys.org) — Universiteit van Californië, Zhaowei Liu, hoogleraar elektrotechniek uit San Diego, en collega's hebben de eerste stappen gezet in een project om snel knipperende LED-systemen te ontwikkelen voor optische communicatie onder water.

In het nummer van 6 januari van Natuur Nanotechnologie , Liu en collega's laten zien dat een kunstmatig metamateriaal de lichtintensiteit en "knippersnelheid" van een fluorescerend lichtgevend kleurstofmolecuul kan verhogen.

De nanopatroonlagen van zilver en silicium in het nieuwe materiaal versnelden de knippersnelheid van het molecuul tot 76 keer sneller dan normaal, terwijl het een 80-voudige toename van de helderheid produceert.

"Het belangrijkste doel van dit programma is het ontwikkelen van een betere lichtbron voor communicatiedoeleinden, " zei Liu. "Maar dit is slechts een eerste stap in het hele verhaal. We hebben bewezen dat deze kunstmatige, door de mens gemaakt materiaal kan worden ontworpen om de lichtemissie en intensiteit te verbeteren, maar de volgende stap zal zijn om dit toe te passen op conventionele LED's."

Extreme knippersnelheid - ultrasnelle modulatie - in blauwe en groene LED's is een ontbrekende schakel die nodig is om de snelheid waarmee informatie via optische kanalen door het open water kan worden verzonden te verhogen, zoals tussen schepen en onderzeeërs, onderzeeërs en duikers, onderwateromgevingssensoren en onbemande onderwatervoertuigen, of andere combinaties.

Indien drastisch verbeterd, optische draadloze communicatie zou uiteindelijk akoestische communicatiesystemen onder water kunnen vervangen voor toepassingen op korte afstand. Akoestische communicatie wordt beperkt door lage snelheid en lage datasnelheden en kan mogelijk leiden tot leed voor walvissen, dolfijnen en ander zeeleven. Om dit te doen, ze moeten blauwe en groene LED-systemen ontwikkelen die een of twee orden van grootte sneller knipperen dan de huidige op blauwe en groene galliumnitride (GaN) gebaseerde LED's.

In optische draadloze communicatiesystemen onder water, gegevens worden omgezet van een elektrisch signaal naar optische golven die door het water reizen van een lichtbron zoals een LED naar een optische ontvanger. Knipperende blauwe en groene LED's worden al gebruikt om informatie door het water over te dragen. (Blauwe en groene LED's worden gebruikt omdat hun licht minder snel door het water wordt geabsorbeerd dan andere kleuren.)

De door de onderzoekers ontwikkelde metamaterialen zijn synthetisch, met eigenschappen die niet in de natuur voorkomen, en zijn speciaal ontworpen om het lichtgeneratieproces te versnellen.

Tot dusver, het was moeilijk om een ​​elektrisch signaal met voldoende snelheid direct om te zetten in een optisch signaal in LED's. Momenteel, de knippersnelheid voor de meeste van deze geconverteerde signalen is minder dan één gigahertz, een snelheid die lager is dan de snelheid van de meeste wifi-signalen, zei Liu.

De materialen zijn ontworpen om extreem sterke interacties te hebben met de lichtstralers die specifiek zijn voor de golflengte - of kleur - van de emissies. In het nieuwe rapport de onderzoekers gebruikten een kleurstofmolecuul dat een geelgroene tint afgeeft. Dus de volgende stap is om de materialen te koppelen met de blauwe en groene LED's.

"Het ontwerp van de materialen is misschien niet het moeilijkste, " zei UC San Diego afgestudeerde student Dylan Lu, de hoofdauteur van de Natuur Nanotechnologie papier, die opmerkten dat ze zullen werken met LED's die zijn vervaardigd volgens een specifieke industriestandaard. "Ik denk dat de grootste uitdaging om het toe te passen op LED's, zal een integratieprobleem zijn."

Liu won onlangs een beurs van het Office of Naval Research (ONR) om de snel knipperende blauwe en groene LED-systemen te ontwikkelen, die iets meer dan $ 500 omvat, 000 over drie jaar.

Samen met de professoren Electrical and Computer Engineering Paul Yu en Eric Fullerton, Liu wil uiteindelijk ultrasnelle knipperende LED-configuraties testen in de oceaanwateren van San Diego.

"We zijn begonnen met de vooruitgang in fundamenteel materiaalonderzoek, en we willen de kennis overdragen naar de led-business, " zei Liu.