This letter presents a visible light communication (VLC) system based on a single 50- μm gallium nitride light emitting diode (LED). A device of this size exhibits a 3-dB modulation bandwidth of at least 60 MHz - significantly higher than commercially available white lighting LEDs. Orthogonal frequency division multiplexing is employed as a modulation scheme. This enables the limited modulation bandwidth of the device to be fully used. Pre- and postequalization techniques, as well as adaptive data loading, are successfully applied to achieve a demonstration of wireless communication at speeds exceeding 3 Gb/s. To date, this is the fastest wireless VLC system using a single LED.

Visible light communication (VLC) is a promising solution to the increasing demands for wireless connectivity.Micro-sized Gallium Nitride (GaN) light emitting diodes (mirco-LEDs) are strong candidates for VLC due to their high bandwidths.Segmented violet mirco-LEDs are reported in this work with electrical-to-optical bandwidths up to 655 MHz.An orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based VLC system with adaptive bit and energy loading is demonstrated and a data transmission rate of 11.95 Gb/s is achieved with a violet mirco-LED, when the nonlinear distortion of the mirco-LED is the dominant noise source of the VLC system.A record 7.91 Gb/s data transmission rate is reported below the forward error correction threshold using a single pixel of the segmented array when all the noise sources of the VLC system are present.

Gallium-nitride (GaN)-based light-emitting diodes (LEDs) are highly efficient sources for general purpose illumination. Visible light communications (VLC) uses these sources to supplement existing wireless communications by offering a large, licence-free region of optical spectrum. Here, we report on progress in the development of micro-scale GaN LEDs (micro-LEDs), optimized for VLC. These blue-emitting micro-LEDs are shown to have very high electrical-to-optical modulation bandwidths, exceeding 800 MHz. The data transmission capabilities of the micro-LEDs are illustrated by demonstrations using ON–OFF-keying, pulse-amplitude modulation, and orthogonal frequency division multiplexing modulation schemes to transmit data over free space at the rates of 1.7, 3.4, and 5 Gb/s, respectively.

We report the high-frequency modulation of individual pixels in 8 × 8 arrays of III-nitride-based micro-pixellated light-emitting diodes, where the pixels within the array range from 14 to 84 μ m in diameter. The peak emission wavelengths of the devices are 370, 405, 450 and 520 nm, respectively. Smaller area micro-LED pixels generally exhibit higher modulation bandwidths than their larger area counterparts, which is attributed to their ability to be driven at higher current densities. The highest optical -3 dB modulation bandwidths from these devices are shown to be in excess of 400 MHz, which, to our knowledge, are the highest bandwidths yet reported for GaN LEDs. These devices are also integrated with a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) driver array chip, allowing for simple computer control of individual micro-LED pixels. The bandwidth of the integrated micro-LED/CMOS pixels is shown to be up to 185 MHz; data transmission at bit rates up to 512 Mbit/s is demonstrated using on-off keying non return-to-zero modulation with a bit-error ratio of less than 1 × 10 -10 , using a 450 nm-emitting 24 μm diameter CMOS-controlled micro-LED. As the CMOS chip allows for up to 16 independent data inputs, this device demonstrates the potential for multi-Gigabit/s parallel data transmission using CMOS-controlled micro-LEDs.

We have systematically investigated the impact of device size scaling on the light output, spectral shift, and self-heating of 400 nm InGaN light-emitting diodes (LEDs). Devices with diameters in the range 20–300 μm have been studied. It is shown that smaller LED pixels can deliver higher power densities (despite the lower absolute output powers) and sustain higher current densities. Investigations of the electroluminescence characteristics of differently sized pixels against current density reveal that the spectral shift is dominated by blueshift at the low current density level and then by redshift at the high current density level, owing to the competition between the bandgap shrinkage caused by self-heating and band-filling effects. The redshift of the emission wavelength with increasing current density is much faster and larger for the bigger pixels, suggesting that the self-heating effect is also size dependent. This is further confirmed by the junction-temperature rise measured by the established spectral shift method. It is shown that the junction-temperature rise in smaller pixels is slower, which in turn explains why the smaller redshift of the emission wavelength with current density is present in smaller pixels. The measured size-dependent junction temperature is in reasonable agreement with finite element method simulation results.

The mechanisms of size-dependent efficiency and efficiency droop of blue InGaN micro-pixel light emitting diodes (μLEDs) have been investigated experimentally and by simulation. Electrical characterisation confirms the improvement of current spreading for smaller μLEDs, which enables the achievement of the higher efficiency at high injection current densities. Owing to the higher ratio of sidewall perimeter to mesa area of smaller μLEDs, a lower efficiency was observed at a low injection current density, resulting from defect-related Shockley-Read-Hall non-radiative recombination. We demonstrate that such sidewall etch defects can be partially recovered by increased thermal annealing time, consequently improving the efficiency at low current densities.

LED-based visible light communications can provide high data rates to users. This can be further increased by the use of wavelength division multiplexing using the different colours required to generate white light to transmit different data streams. In this paper, a trichromatic approach is described and the influence of colour combination on achievable data rate is analysed. A demonstration of LED-based communications which achieves a data rate of >10 Gb/s by using a rate adaptive orthogonal-frequency-division-multiplexing scheme is also reported.

Abstract Electron backscatter diffraction and cathodoluminescence are complementary scanning electron microscopy modes widely used in the characterisation of semiconductor films, respectively revealing the strain state of a crystalline material and the effect of this strain on the light emission from the sample. Conflicting beam, sample and detector geometries have meant it is not generally possible to acquire the two signals together during the same scan. Here, we present a method of achieving this simultaneous acquisition, by collecting the light emission through a transparent sample substrate. We apply this combination of techniques to investigate the strain field and resultant emission wavelength variation in a deep-ultraviolet micro-LED. For such compatible samples, this approach has the benefits of avoiding image alignment issues and minimising beam damage effects.

We present an electrically addressable optrode array capable of delivering light to 181 sites in the brain, each providing sufficient light to optogenetically excite hundreds of neurons in vivo, developed with the aim to allow behavioural studies in large mammals. The device is a glass microneedle array directly integrated with a custom fabricated microLED device, which delivers light to 100 needle tips and 81 interstitial surface sites, giving 2-level optogenetic excitation of neurons in vivo. Light delivery and thermal properties are evaluated, with the device capable of peak irradiances > 80 mW/mm^2 per needle at 50 ms pulse widths with tissue temperature increase less than 1 °C. Future designs are explored through optical and thermal modelling and benchmarked against the current device.