Een nieuwe methode om halfgeleidervezeloptica te verbeteren, kan leiden tot een materiaalstructuur die op een dag een revolutie teweeg kan brengen in de wereldwijde overdracht van gegevens, aldus een interdisciplinair team van onderzoekers.

Onderzoekers werken met halfgeleider optische vezels, die aanzienlijke voordelen bieden ten opzichte van glasvezel op basis van silica, de huidige technologie die wordt gebruikt voor het verzenden van bijna alle digitale gegevens. Silica-glasvezels kunnen alleen elektronische gegevens verzenden die zijn omgezet in lichtgegevens. Dit vereist externe elektronische apparaten die duur zijn en enorme hoeveelheden elektriciteit verbruiken. Halfgeleider vezels, echter, kan zowel lichte als elektronische gegevens verzenden en kan mogelijk ook de conversie van elektrische naar optische gegevens on-the-fly tijdens de verzending voltooien, leveringssnelheid verbeteren.

Zie deze conversies als afritten op de informatiesnelweg, zei Venkatraman Gopalan, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. Hoe minder uitgangen de gegevens nodig hebben, hoe sneller de informatie reist. Noem het "fly-by opto-elektronica, " hij zei.

In 2006, onderzoekers, onder leiding van John Badding, hoogleraar scheikunde, natuurkunde, en materiaalkunde en techniek, ontwikkelde eerst siliciumvezels door silicium en andere halfgeleidermaterialen in te bedden in haarvaten van silicavezels. de vezels, bestaande uit een reeks kristallen, waren beperkt in hun vermogen om gegevens te verzenden vanwege onvolkomenheden, zoals korrelgrenzen aan de oppervlakken waar de vele kristallen in de vezelkern aan elkaar zijn gehecht, gedwongen delen van het licht te verstrooien, het verstoren van de uitzending.

Een methode ontworpen door Xiaoyu Ji, promovendus in materiaalkunde en techniek, verbetert de polykristallijne kern van de vezel door het smelten van een zeer zuivere amorfe siliciumkern die is afgezet in een glazen capillair met een binnendiameter van 1,7 micron met behulp van een scanninglaser, waardoor vorming van silicium eenkristallen die meer dan 2 waren, 000 keer zo lang als ze dik waren. Deze methode transformeert de kern van een polykristal met veel onvolkomenheden naar een enkel kristal met weinig onvolkomenheden dat veel efficiënter licht doorlaat.

Dat proces, gedetailleerd in een drietal artikelen gepubliceerd in ACS Fotonica , Geavanceerde optische materialen , en Technische Natuurkunde Brieven begin dit jaar, demonstreert een nieuwe methode om de gegevensoverdracht te verbeteren door onvolkomenheden in de vezelkern te elimineren die van verschillende materialen kunnen worden gemaakt. Gopalan zei dat apparatuurbeperkingen ervoor zorgden dat de kristallen niet langer waren.

Door de ultrakleine kern, Ji was in staat om de kristalstructuur van het kernmateriaal te smelten en te verfijnen bij temperaturen van ongeveer 750 tot 930 graden Fahrenheit, lager dan een typisch vezeltrekproces voor siliciumkernvezels. De lagere temperaturen en de korte verwarmingstijd die kan worden geregeld door het laservermogen en de laserscansnelheid, verhinderden ook het capillair van silica, die verschillende thermische eigenschappen heeft, van verzachting en besmetting van de kern.

"Hoge zuiverheid is van fundamenteel belang voor hoge prestaties bij het omgaan met materialen die zijn bedoeld voor optisch of elektrisch gebruik, " zei Ji.

De belangrijke afhaalmaaltijd, zei Gopalan, is dat deze nieuwe methode de methodologie beschrijft voor hoe een groot aantal materialen kan worden ingebed in glasvezel en hoe holtes en onvolkomenheden kunnen worden verminderd om de efficiëntie van de lichtoverdracht te vergroten, noodzakelijke stappen om de wetenschap vanaf de kinderschoenen vooruit te helpen.

"Glastechnologie heeft ons zo ver gebracht, " zei Gopalan. "Het ambitieuze idee dat Badding en mijn groep ongeveer 10 jaar geleden hadden, was dat glas geweldig is, maar kunnen we meer doen door gebruik te maken van de talrijke elektronische en optisch actieve materialen anders dan gewoon glas. Toen zijn we begonnen met het inbedden van halfgeleiders in glasvezel."

Zoals glasvezelkabel, die tientallen jaren duurde om een ​​betrouwbaar apparaat voor gegevenslevering te worden, tientallen jaren van werk blijft waarschijnlijk om commercieel levensvatbare, halfgeleidervezelnetwerken. Het duurde 10 jaar voordat onderzoekers polykristallijne vezels bereikten met specificaties die veel beter zijn, maar zijn nog steeds niet concurrerend met traditionele glasvezelkabels.

"Xiaoyu is in staat geweest om uit te gaan van mooi afgezette amorfe silicium- en germaniumkern en een laser te gebruiken om ze te kristalliseren, zodat de hele kern van de halfgeleidervezel één mooi enkel kristal is zonder grenzen, "zei Gopalan. "Dit verbeterde licht en elektronische overdracht. Nu kunnen we echte apparaten maken, niet alleen voor communicatie, maar ook voor endoscopie, in beeld brengen, fiberlasers en nog veel meer."

Gopalan zei dat hij niet alleen bezig is met het maken van commercieel levensvatbare materialen. Hij is geïnteresseerd in groots dromen en een lange blik op nieuwe technologieën. Misschien ooit, elk nieuw gebouwd huis kan een halfgeleidervezel hebben, sneller internet te brengen.

"Daarom zijn we hier in de eerste plaats mee begonnen, " zei Gopalan. "De groep van Badding was in staat om uit te vinden hoe silicium en germanium en metalen en andere halfgeleiders in de vezel konden worden geplaatst, en deze methode verbetert dat."