超材料微纳结构对有机发光材料带宽拓展效应的调控机制

Visible light communication is a strategic emerging industry with promising application prospects. It is also one of the technical solutions for 5G communication. Bandwidth is the key performance for VLC devices, therefore the bandwidths of organic light-emitting materials have critical impact on the communication performance of hybrid VLC light sources. This project proposes a new route to regulate and control the bandwidths of organic materials by using nanostructured metamaterials. Based on the regulation of metamaterial dispersive curves on the Purcell effects of organic materials, and the nanostructures on the light out-coupling efficiencies of metamaterial surface waves, we quantitatively analyse the influence of nanostructured metamaterials on the fluorescent lifetime of organic materials, thus unveiling its control mechanism. We further establish a set of methods calculating the bandwidths of organic materials with nanostructured metamaterials, providing scientific support for the designs aiming to improve bandwidths. By analysing the light out-coupling directions and efficiencies of all optical modes in organic materials and nanostructured metamaterials, we discover the control mechanism of nanostructured metamaterials on the emissive directions of hybrid VLC light sources, exploring collaborative optimisation of bandwidths and emissive directions. We further customise designs of nanostructured metamaterials for organic materials emitting different colours, and use parallel communications for improving data rates by wavelength division multiplexing and spatial multiplexing, in order to develop white VLC light sources with high bandwidths and data rates.

可见光通信（VLC）是具有广阔应用前景的战略新兴产业，是5G通信的备选技术方案。信道带宽是VLC器件的核心，有机发光材料的带宽制约了杂化VLC光源的进一步发展。本项目提出利用超材料微纳结构拓展有机材料带宽的全新思路，打破了有机材料分子结构对自身带宽的束缚。基于分析超材料色散曲线对有机材料Purcell效应的作用机制，以及超材料表面波的出光效率随微纳结构的变化规律，确定超材料微纳结构对有机材料荧光寿命的影响，揭示其对有机材料带宽拓展效应的调控机制，建立一套有机材料带宽的计算模型，实现有机材料带宽的顶层设计。分析有机材料在超材料微纳结构作用下各光学模态的出光方向和耦合效率，明确超材料微纳结构对有机材料出光方向的影响规律，探索有机材料带宽和出光方向的协同优化。针对各颜色有机材料做定制化的超材料微纳结构设计，基于波分复用和空间复用技术构建并行通信，开发具有高带宽、高通信速率的白光VLC光源。

可见光通信技术（VLC）是实现信息交互、物联网终端互连的高速无线通信手段之一，能有效缓解频谱资源紧张。荧光材料的本征带宽是决定可见光通信速率的根本，其大小受材料合成条件制约存在瓶颈，因此探索一条提升荧光材料带宽的全新路径是推进VLC技术发展的关键。. 本课题提出了利用双曲超构材料（HMM）微纳结构提升荧光材料带宽的全新思路，探明了HMM微纳结构对荧光材料各激子Purcell因子及发光强度的调控作用，量化了Purcell因子及发光强度受HMM组分、激子与HMM表面距离、发光波长、光谱轮廓、吸收及出光耦合等多因素的影响，明确了HMM微纳结构对荧光材料带宽的详细调控机制，建立了HMM微纳结构调控荧光材料带宽的计算模型。该模型提供了材料-结构-带宽的理论计算方法，为器件性能优化提供理论依据和指导。作为验证，在器件制备研究中，使用了基于10对Ag-Si的HMM和190 nm周期的光栅结构，有机荧光材料在HMM微纳结构作用下，VLC性能测试的带宽表现比本征值提升67%，验证了该路线的可行性以及荧光材料带宽量化计算模型的可靠性。. 在进一步的并行通信研究中，为了实现低串扰的空间复用，本课题在接收端基于一维光子晶体渐变叠层和广义布儒斯特角，提出了一种能够实现三维空间窄视角的光学薄膜设计，无色散特性，针对可见光全谱有效，可成倍提升通信速率。同时，为了提高高带宽小面积探测器的信噪比，打破探测器集光率极限，本课题设计并制备了一款前置光学薄膜，在相同可视角下提升了220%信噪比。. 在并行通信发射端研究中，本课题探索了钙钛矿纳米晶作为并行通信荧光材料的可行性，提出了利用稀土离子掺杂调节钙钛矿纳米晶跃迁速率及带宽的新路线并进行实验验证，实现了90%光效的快跃迁钙钛矿纳米晶制备。通过理论分析和第一性原理计算，揭示了其高光效快跃迁的内在机理，可作为理论依据探索其它新掺杂离子对跃迁速率的调节作用，进一步优化带宽表现。