Исследователи работают с полупроводниковыми оптическими волокнами, которые обладают значительными преимуществами по сравнению с волоконной оптикой на основе кремнезема, современной технологией, используемой для передачи почти всех цифровых данных. Стекло-кремнеземные волокна могут передавать только электронные данные, преобразованные в световые.
Для этого требуются внешние электронные устройства, которые дороги и потребляют огромное количество электроэнергии. Однако полупроводниковые волокна могут передавать как световые, так и электронные данные, а также могут выполнять преобразование электрических данных в оптические «на лету» во время передачи, повышая скорость доставки.«Думайте об этих преобразованиях как о съездах с информационной супермагистрали», — сказал Венкатраман Гопалан, профессор материаловедения и инженерии Пенсильванского университета.
Чем меньше выходов делают данные, тем быстрее распространяется информация. Назовите это «пролетной оптоэлектроникой», — сказал он.В 2006 году исследователи под руководством Джона Баддинга, профессора химии, физики, материаловедения и инженерии, впервые разработали кремниевые волокна, встраивая кремний и другие полупроводниковые материалы в капилляры кварцевых волокон.
Волокна, состоящие из серии кристаллов, были ограничены в их способности передавать данные, потому что несовершенства, такие как границы зерен на поверхностях, где многочисленные кристаллы внутри сердцевины волокна соединены вместе, вынуждали части света рассеиваться, нарушая передачу. .Метод, разработанный Сяоюй Цзи, докторантом материаловедения и инженерии, улучшает поликристаллическую сердцевину волокна за счет плавления сердцевины из аморфного кремния высокой чистоты, осажденной внутри стеклянного капилляра с внутренним диаметром 1,7 микрона, с использованием сканирующего лазера, что позволяет образование монокристаллов кремния, длина которых более чем в 2000 раз превышает их толщину. Этот метод преобразует ядро из поликристалла с множеством дефектов в монокристалл с небольшим количеством дефектов, который пропускает свет намного более эффективно.
Этот процесс, подробно описанный в трех статьях, опубликованных в журналах ACS Photonics, Advanced Optical Materials и Applied Physics Letters в начале этого года, демонстрирует новую методологию улучшения передачи данных за счет устранения дефектов в сердцевине волокна, которое может быть выполнено из различных материалов. Гопалан сказал, что из-за ограничений оборудования кристаллы не были длиннее.
Благодаря сверхмалой сердцевине, Джи смог расплавить и улучшить кристаллическую структуру материала сердцевины при температурах примерно от 750 до 930 градусов по Фаренгейту, что ниже, чем при типичном процессе вытягивания волокон с кремниевой сердцевиной. Более низкие температуры и короткое время нагрева, которым можно управлять с помощью мощности лазера и скорости лазерного сканирования, также предотвратили размягчение и загрязнение сердечника кремнеземного капилляра, который имеет разные тепловые свойства.«Высокая чистота принципиально важна для высокой производительности при работе с материалами, предназначенными для оптического или электрического использования», — сказал Джи.
Важный вывод, сказал Гопалан, заключается в том, что этот новый метод излагает методологию того, как множество материалов может быть встроено в волоконную оптику и как можно уменьшить пустоты и несовершенства для повышения эффективности передачи света, необходимые шаги для продвижения науки от его младенчество.«Стекольные технологии завели нас так далеко», — сказал Гопалан. «Амбициозная идея, которую Баддинг и моя группа имели около 10 лет назад, заключалась в том, что стекло — это прекрасно, но можем ли мы сделать больше, используя многочисленные электронные и оптически активные материалы, отличные от простого стекла.
Именно тогда мы начали пытаться внедрить полупроводники в стекловолокно. . "Подобно волоконно-оптическому кабелю, которому потребовались десятилетия, чтобы стать надежным устройством доставки данных, вероятно, еще десятилетия работы по созданию коммерчески жизнеспособных полупроводниковых волоконно-оптических сетей. Исследователям потребовалось 10 лет, чтобы довести поликристаллические волокна до характеристик, которые намного лучше, но все еще не могут конкурировать с традиционным оптоволоконным кабелем.«Xiaoyu смогла начать с хорошо осажденного аморфного кремния и германиевой сердцевины и использовать лазер для их кристаллизации, так что вся сердцевина полупроводникового волокна представляет собой один красивый монокристалл без границ», — сказал Гопалан. «Это улучшенная передача света и электроники.
Теперь мы можем создавать реальные устройства не только для связи, но и для эндоскопии, визуализации, волоконных лазеров и многого другого».Гопалан сказал, что он занимается не только созданием коммерчески жизнеспособных материалов. Ему интересно мечтать о большом и дальновидно смотреть на новые технологии.
Возможно, однажды в каждом новом построенном доме будет полупроводниковое волокно, которое обеспечит более быстрый доступ в Интернет.«Именно поэтому мы в первую очередь занялись этим», — сказал Гопалан. «Группе Баддинга удалось выяснить, как поместить в волокно кремний, германий, металлы и другие полупроводники, и этот метод улучшает это».