Metoden forbedrer halvlederfiberoptik, baner vej for udvikling af enheder

En ny metode til forbedring af halvlederfiberoptik kan føre til en materialestruktur, der en dag kan revolutionere den globale transmission af data, ifølge et tværfagligt forskerteam.

Forskere arbejder med optiske halvlederfibre, som har betydelige fordele i forhold til silica-baseret fiberoptik, den nuværende teknologi, der bruges til at overføre næsten alle digitale data. Silica - glas - fibre kan kun overføre elektroniske data, der er konverteret til lette data. Dette kræver eksterne elektroniske enheder, der er dyre og forbruger enorme mængder elektricitet. Halvlederfibre, imidlertid, kan overføre både lette og elektroniske data og muligvis også være i stand til at fuldføre konverteringen fra elektriske til optiske data undervejs, forbedring af leveringshastighed.

Tænk på disse konverteringer som afkørselsramper på informationsmotorvejen, sagde Venkatraman Gopalan, professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. Jo færre udgange dataene tager, jo hurtigere rejser informationen. Kald det "fly-by optoelektronik, " han sagde.

I 2006, forskere, ledet af John Badding, professor i kemi, fysik, og materialevidenskab og teknik, udviklede først siliciumfibre ved at indlejre silicium og andre halvledermaterialer i silikafiberkapillærer. Fibrene, bestående af en række krystaller, var begrænset i deres evne til at overføre data, fordi ufuldkommenheder, såsom korngrænser ved de overflader, hvor de mange krystaller i fiberkernen er bundet sammen, tvang dele af lyset til at sprede sig, forstyrrer transmissionen.

En metode designet af Xiaoyu Ji, doktorand i materialevidenskab og teknik, forbedrer fiberens polykrystallinske kerne ved at smelte en amorf siliciumkerne af høj renhed, der er aflejret inde i en 1,7-mikron indvendig diameter glaskapillær ved hjælp af en scanningslaser, muliggør dannelse af silicium -enkeltkrystaller, der var mere end 2, 000 gange så længe de var tykke. Denne metode omdanner kernen fra en polykrystal med mange ufuldkommenheder til en enkelt krystal med få ufuldkommenheder, der transmitterer lys meget mere effektivt.

Den proces, detaljeret i en trio af artikler offentliggjort i ACS Photonics , Avancerede optiske materialer , og Anvendt fysik bogstaver tidligt i år, demonstrerer en ny metode til forbedring af dataoverførsel ved at eliminere fejl i fiberkernen, der kan være fremstillet af forskellige materialer. Gopalan sagde, at udstyrsbegrænsninger forhindrede krystallerne i at være længere.

På grund af den ultra-lille kerne, Ji var i stand til at smelte og forfine krystalstrukturen af ​​kernematerialet ved temperaturer på omkring 750 til 930 grader Fahrenheit, lavere end en typisk fibertrækningsproces for siliciumkernfibre. De lavere temperaturer og den korte opvarmningstid, der kan styres af laserkraften og laserscanningshastigheden forhindrede også silica -kapillær, som har forskellige termiske egenskaber, fra at blødgøre og forurene kernen.

"Høj renhed er grundlæggende vigtig for høj ydeevne ved håndtering af materialer, der er beregnet til optisk eller elektrisk brug, "sagde Ji.

Den vigtige afhentning, sagde Gopalan, er, at denne nye metode beskriver metodikken for, hvordan et væld af materialer kan indlejres i fiberoptik, og hvordan hulrum og ufuldkommenheder kan reduceres for at øge lysoverførselseffektiviteten, nødvendige skridt til at fremme videnskaben fra sin barndom.

"Glasteknologi har taget os så langt, "sagde Gopalan." Den ambitiøse idé, som Badding og min gruppe havde for omkring 10 år siden, var, at glas er fantastisk, men kan vi gøre mere ved at bruge de mange elektronisk og optisk aktive materialer andre end almindeligt glas. Det var da vi begyndte at forsøge at integrere halvledere i glasfiber. "

Ligesom fiberoptisk kabel, som tog årtier at blive en pålidelig dataleveringsenhed, årtiers arbejde er sandsynligvis fortsat med til at skabe kommercielt levedygtigt, halvlederfibernet. Det tog 10 år for forskere at nå polykrystallinske fibre til specifikationer, der er langt bedre, men er stadig ikke konkurrencedygtige med traditionelt fiberoptisk kabel.

"Xiaoyu har været i stand til at starte fra pænt afsatte amorfe silicium og germaniumkerne og bruge en laser til at krystallisere dem, så hele halvlederfiberkernen er en flot enkelt krystal uden grænser, "sagde Gopalan." Dette forbedrede lys og elektronisk overførsel. Nu kan vi lave nogle rigtige enheder, ikke kun til kommunikation, men også til endoskopi, billeddannelse, fiberlasere og mange flere. "

Gopalan sagde, at han ikke kun er i gang med at skabe kommercielt levedygtige materialer. Han er interesseret i at drømme stort og have det lange syn på nye teknologier. Måske en dag, hvert nyt hjem, der er bygget, kan have en halvlederfiber, bringe hurtigere internet til det.

"Det var derfor, vi gik ind i dette i første omgang, "sagde Gopalan." Baddings gruppe var i stand til at finde ud af, hvordan man lagde silicium og germanium og metaller og andre halvledere i fiberen, og denne metode forbedrer det. "