【科技资讯】美国水下蓝绿光通信速率有望显著提高
传统的水下通信一般采用声波和电磁波，但声波在水中的传输受较多限制，通信速率较低，传输时延大；电磁波在海水中衰减极快（如2.4吉赫兹电磁波信号衰减速率约为1695分贝/米），也不适合于水下通信。蓝绿光的工作波段是海洋中光传播的窗口，海水对蓝绿光（波长450-550纳米）的吸收远小于其他波段的可见光，因而水下蓝绿光通信引起了广泛的关注和积极研究。
光源是水下无线光通信系统的一个重要组成部分，其极快的闪烁速率与超快的调制速率对提高光通信的速率至关重要。目前常用的是氮化镓基LED，其调制速率仍低于十亿赫兹，也低于一般无线网络的传输速度。美国一直致力于寻求更好的光源以提高水下蓝绿光通信速率。
2014年1月，美国海军研究署与加州大学共同研发出了一种新型快速闪烁双曲超材料（HMM），与含有染料的基体一起构成蓝绿光的光源，用于水下光通信系统后将使通信速率提高1-2个数量级，可用于水面舰与潜艇、潜艇与蛙人、水下传感器与无人潜航器等通讯过程。
这种新型快速闪烁双曲超材料是一种多层银与硅纳米层组成的人造薄膜，通过微纳加工成具有一定周期的纳米结构。一定频率的光波照射到该材料上时，会在银的表面产生表面等离子体共振，形成强电场。该电场使染料分子更容易吸收光的能量，显著提高染料分子自发辐射速率并增加辐射强度，进而增强荧光辐射强度。减小纳米结构周期、提高纳米结构中银的填充率，能进一步提高荧光辐射强度。此外，染料分子与纳米结构间的强烈作用，使荧光发光周期变短、调制带宽增加，并提高光通信速率。与氮化镓基LED相比，HMM能使光源的闪烁速率提高76倍，亮度增加80倍。
图 Ag/Si纳米层结构材料结构示意图（上）及发光效果图（下）
新型快速闪烁双曲超材料是由美国加州大学与美国海军研究署合作进行的“水下蓝绿无线通信”项目的研究成果。该项目旨在开发可提高通信效率的光源，目前加州大学已证实了这种人造材料能够增强光的发射和强度。该项目的技术难点不在于材料本身的设计，而在于这种材料在在商业化的LED系统中的应用。研究学者表示下一步计划是将该材料应用于传统LED无线光通信系统，并在圣地亚哥海域进行新型超速闪烁LED的测试。未来研究学者将继续改进LED材料，通过加快其闪烁速度来实现通信速率的提升。
水下蓝绿LED无线通信技术的发展将克服水下声学通信的缺陷，增强通信的准确性和可靠性，提高潜艇的生存能力，及时协调潜艇与地面、海面与空中的作战行动。若能更进一步提高闪烁速率，将很有可能取代声波在短距离通信领域的应用，对水下战场产生深远的影响。
（来源：蓝海星智库，作者：慕南）
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