Un nuovo metodo per migliorare le fibre ottiche dei semiconduttori potrebbe portare a una struttura materiale che un giorno potrebbe rivoluzionare la trasmissione globale dei dati, secondo un team interdisciplinare di ricercatori.

I ricercatori stanno lavorando con fibre ottiche a semiconduttore, che presentano vantaggi significativi rispetto alle fibre ottiche a base di silice, l'attuale tecnologia utilizzata per la trasmissione di quasi tutti i dati digitali. Le fibre di silice, di vetro, possono trasmettere solo dati elettronici convertiti in dati di luce. Ciò richiede dispositivi elettronici esterni che sono costosi e consumano enormi quantità di elettricità. Fibre semiconduttrici, però, può trasmettere sia dati luminosi che elettronici e potrebbe anche essere in grado di completare la conversione da dati elettrici a ottici al volo durante la trasmissione, migliorando la velocità di consegna.

Pensa a queste conversioni come rampe di uscita sull'autostrada dell'informazione, disse Venkatraman Gopalan, professore di scienze e ingegneria dei materiali, Penn State. Meno sono le uscite che i dati prendono, più velocemente viaggiano le informazioni. Chiamala "optoelettronica fly-by, " Egli ha detto.

Nel 2006, ricercatori, guidato da John Badding, professore di chimica, fisica, e scienza e ingegneria dei materiali, ha sviluppato per la prima volta fibre di silicio incorporando silicio e altri materiali semiconduttori in capillari in fibra di silice. Le fibre, composto da una serie di cristalli, erano limitate nella loro capacità di trasmettere dati a causa di imperfezioni, come i bordi dei grani sulle superfici dove i numerosi cristalli all'interno del nucleo della fibra si sono legati insieme, porzioni di luce forzate a disperdersi, interrompendo la trasmissione.

Un metodo ideato da Xiaoyu Ji, dottorando in scienze e ingegneria dei materiali, migliora il nucleo policristallino della fibra fondendo un nucleo di silicio amorfo di elevata purezza depositato all'interno di un capillare di vetro di 1,7 micron di diametro interno utilizzando un laser a scansione, consentendo la formazione di singoli cristalli di silicio che erano più di 2, 000 volte finché erano spessi. Questo metodo trasforma il nucleo da un policristallo con molte imperfezioni a un cristallo singolo con poche imperfezioni che trasmette la luce in modo molto più efficiente.

Quel processo, dettagliato in un trio di articoli pubblicati su Fotonica ACS , Materiali ottici avanzati , e Lettere di fisica applicata all'inizio di quest'anno, dimostra una nuova metodologia per migliorare il trasferimento dei dati eliminando le imperfezioni nel nucleo della fibra che può essere realizzato con vari materiali. Gopalan ha detto che i vincoli dell'attrezzatura hanno impedito ai cristalli di durare più a lungo.

A causa del nucleo ultra-piccolo, Ji è stato in grado di fondere e affinare la struttura cristallina del materiale del nucleo a temperature di circa 750-930 gradi Fahrenheit, inferiore a un tipico processo di trafilatura delle fibre per le fibre con nucleo di silicio. Le temperature più basse e il breve tempo di riscaldamento che può essere controllato dalla potenza del laser e dalla velocità di scansione del laser hanno anche impedito il capillare di silice, che ha diverse proprietà termiche, dall'ammorbidimento e dalla contaminazione del nucleo.

"L'elevata purezza è di fondamentale importanza per prestazioni elevate quando si tratta di materiali destinati all'uso ottico o elettrico, " disse Ji.

L'importante da asporto, disse Gopalan, è che questo nuovo metodo delinea la metodologia per come una serie di materiali può essere incorporata nelle fibre ottiche e come i vuoti e le imperfezioni possono essere ridotti per aumentare l'efficienza di trasferimento della luce, passi necessari per far progredire la scienza dalla sua infanzia.

"La tecnologia del vetro ci ha portato fin qui, " ha detto Gopalan. "L'idea ambiziosa che Badding e il mio gruppo hanno avuto circa 10 anni fa era che il vetro è fantastico, ma possiamo fare di più utilizzando i numerosi materiali elettronicamente e otticamente attivi diversi dal vetro normale. È stato allora che abbiamo iniziato a provare a incorporare semiconduttori nella fibra di vetro".

Come il cavo in fibra ottica, che ha impiegato decenni per diventare un affidabile dispositivo di consegna dei dati, decenni di lavoro probabilmente rimangono per creare commercialmente fattibili, reti in fibra a semiconduttore. Ci sono voluti 10 anni perché i ricercatori raggiungessero le fibre policristalline con specifiche di gran lunga migliori, ma non sono ancora competitivi con i tradizionali cavi in ​​fibra ottica.

"Xiaoyu è stato in grado di partire da un nucleo di silicio amorfo e germanio ben depositato e di utilizzare un laser per cristallizzarli, in modo che l'intero nucleo della fibra semiconduttrice sia un bel singolo cristallo senza confini, " ha detto Gopalan. "Questo ha migliorato il trasferimento della luce e dell'elettronica. Ora possiamo realizzare alcuni dispositivi reali, non solo per le comunicazioni, ma anche per endoscopia, immagini, laser in fibra e molti altri."

Gopalan ha detto che non è solo nel business della creazione di materiali commercialmente validi. È interessato a sognare in grande ea guardare a lungo le nuove tecnologie. Forse un giorno, ogni nuova casa costruita potrebbe avere una fibra a semiconduttore, portando Internet più veloce ad esso.

"Questo è il motivo per cui siamo entrati in questo in primo luogo, " ha detto Gopalan. "Il gruppo di Badding è stato in grado di capire come inserire silicio e germanio e metalli e altri semiconduttori nella fibra, e questo metodo migliora quello."