En ny metod för att förbättra halvledarfiberoptik kan leda till en materialstruktur som en dag kan revolutionera den globala överföringen av data, enligt ett tvärvetenskapligt team av forskare.

Forskare arbetar med halvledaroptiska fibrer, som har betydande fördelar jämfört med kiseldioxidbaserad fiberoptik, den nuvarande tekniken som används för att överföra nästan all digital data. Kiseldioxid - glas - fibrer kan bara överföra elektronisk data som omvandlas till lätt data. Detta kräver externa elektroniska enheter som är dyra och förbrukar enorma mängder el. Halvledarfibrer, dock, kan överföra både ljus och elektronisk data och kanske också kunna slutföra konverteringen från elektriska till optiska data i farten under överföring, förbättra leveranshastigheten.

Tänk på dessa omvandlingar som avfartsramper på informationsmotorvägen, sa Venkatraman Gopalan, professor i materialvetenskap och teknik, Penn State. Ju färre utgångar data tar, ju snabbare informationen reser. Kalla det "fly-by optoelektronik, " han sa.

Under 2006, forskare, ledd av John Badding, professor i kemi, fysik, och materialvetenskap och teknik, utvecklade först kiselfibrer genom att bädda in kisel och andra halvledarmaterial i kiselfiberkapillärer. Fibrerna, består av en serie kristaller, var begränsad i sin förmåga att överföra data eftersom brister, såsom korngränser vid ytorna där de många kristallerna i fiberkärnan binds samman, tvingade delar av ljuset att spridas, stör transmissionen.

En metod designad av Xiaoyu Ji, doktorand i materialvetenskap och teknik, förbättrar fiberns polykristallina kärna genom att smälta en amorf kiselkärna med hög renhet deponerad inuti en 1,7 mikron inre diameter kapillär med hjälp av en skanningslaser, möjliggör bildning av enkristaller av kisel som var mer än 2, 000 gånger så länge de var tjocka. Denna metod omvandlar kärnan från en polykristall med många brister till en enda kristall med få brister som överför ljus mycket mer effektivt.

Den processen, detaljerad i en trio artiklar publicerade i ACS Photonics , Avancerade optiska material , och Tillämpad fysikbokstäver tidigt i år, visar en ny metod för att förbättra dataöverföring genom att eliminera brister i fiberkärnan som kan tillverkas av olika material. Gopalan sa att utrustningsbegränsningar hindrade kristallerna från att vara längre.

På grund av den extremt små kärnan, Ji kunde smälta och förfina kristallstrukturen i kärnmaterialet vid temperaturer på cirka 750 till 930 grader Fahrenheit, lägre än en typisk fiberdragningsprocess för kiselfibrer. De lägre temperaturerna och den korta uppvärmningstiden som kan styras av laserkraften och laserskanningshastigheten förhindrade också kiseldioxidkapillären, som har olika termiska egenskaper, från att mjukna och förorena kärnan.

"Hög renhet är grundläggande viktigt för hög prestanda när det gäller material som är avsedda för optisk eller elektrisk användning, "sa Ji.

Den viktiga takeawayen, sa Gopalan, är att denna nya metod beskriver metodiken för hur en mängd material kan bäddas in i fiberoptik och hur tomrum och brister kan reduceras för att öka ljusöverföringseffektiviteten, nödvändiga steg för att avancera vetenskapen från dess spädbarn.

"Glasteknik har tagit oss så här långt, "sa Gopalan." Den ambitiösa idén som Badding och min grupp hade för cirka 10 år sedan var att glas är fantastiskt, men kan vi göra mer genom att använda de många elektroniskt och optiskt aktiva materialen andra än vanligt glas. Det var då vi började försöka bädda in halvledare i glasfiber. "

Som fiberoptisk kabel, som tog årtionden att bli en tillförlitlig dataöverföringsenhet, decennier av arbete återstår sannolikt att skapa kommersiellt gångbart, halvledarfibernät. Det tog 10 år för forskare att nå polykristallina fibrer till specifikationer som är mycket bättre, men är fortfarande inte konkurrenskraftiga med traditionell fiberoptisk kabel.

"Xiaoyu har kunnat utgå från fint avlagrat amorft kisel och germaniumkärna och använda en laser för att kristallisera dem, så att hela halvledarfiberkärnan är en fin enkel kristall utan gränser, "sa Gopalan." Detta förbättrade ljus och elektronisk överföring. Nu kan vi göra några riktiga enheter, inte bara för kommunikation, men även för endoskopi, bildbehandling, fiberlasrar och många fler. "

Gopalan sa att han inte bara sysslar med att skapa kommersiellt livskraftiga material. Han är intresserad av att drömma stort och ta den långa synen på ny teknik. Kanske en dag, varje nytt hus byggt kan ha en halvledarfiber, att få snabbare internet till det.

"Det var därför vi kom in på det här i första hand, "sa Gopalan." Baddings grupp kunde ta reda på hur man satte kisel och germanium och metaller och andra halvledare i fibern, och den här metoden förbättrar det. "