Un nuevo método para mejorar la fibra óptica de semiconductores puede conducir a una estructura de material que algún día podría revolucionar la transmisión global de datos. según un equipo interdisciplinario de investigadores.

Los investigadores están trabajando con fibras ópticas semiconductoras, que tienen ventajas significativas sobre las fibras ópticas a base de sílice, la tecnología actual utilizada para transmitir casi todos los datos digitales. Las fibras de sílice (vidrio) solo pueden transmitir datos electrónicos convertidos en datos luminosos. Esto requiere dispositivos electrónicos externos que son costosos y consumen enormes cantidades de electricidad. Fibras semiconductoras, sin embargo, puede transmitir tanto luz como datos electrónicos y también podría completar la conversión de datos eléctricos a ópticos sobre la marcha durante la transmisión, mejorar la velocidad de entrega.

Piense en estas conversiones como rampas de salida en la superautopista de la información, dijo Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. Cuantas menos salidas tomen los datos, cuanto más rápido viaja la información. Llámelo "optoelectrónica fly-by, " él dijo.

En 2006, investigadores, dirigido por John Badding, profesor de química, física, y ciencia e ingeniería de materiales, primero desarrolló fibras de silicio al incrustar silicio y otros materiales semiconductores en capilares de fibra de sílice. Las fibras, compuesto por una serie de cristales, estaban limitados en su capacidad para transmitir datos debido a imperfecciones, como los límites de grano en las superficies donde los muchos cristales dentro del núcleo de la fibra se unieron, forzó porciones de la luz a dispersarse, interrumpir la transmisión.

Un método diseñado por Xiaoyu Ji, candidato a doctorado en ciencia e ingeniería de materiales, mejora el núcleo policristalino de la fibra mediante la fusión de un núcleo de silicio amorfo de alta pureza depositado dentro de un capilar de vidrio de 1,7 micrones de diámetro interno utilizando un láser de escaneo, permitiendo la formación de monocristales de silicio que eran más de 2, 000 veces más largos que gruesos. Este método transforma el núcleo de un policristal con muchas imperfecciones a un solo cristal con pocas imperfecciones que transmite la luz de manera mucho más eficiente.

Ese proceso, detallado en un trío de artículos publicados en Fotónica ACS , Materiales ópticos avanzados , y Letras de física aplicada a principios de este año, demuestra una nueva metodología para mejorar la transferencia de datos mediante la eliminación de imperfecciones en el núcleo de la fibra que puede estar hecho de varios materiales. Gopalan dijo que las limitaciones del equipo impedían que los cristales fueran más largos.

Debido al núcleo ultrapequeño, Ji pudo derretir y refinar la estructura cristalina del material del núcleo a temperaturas de aproximadamente 750 a 930 grados Fahrenheit, menor que un proceso típico de estirado de fibras para fibras con núcleo de silicio. Las temperaturas más bajas y el corto tiempo de calentamiento que se puede controlar con la potencia del láser y la velocidad de escaneo del láser también impidieron que el capilar de sílice, que tiene diferentes propiedades térmicas, de ablandar y contaminar el núcleo.

"La alta pureza es fundamentalmente importante para un alto rendimiento cuando se trata de materiales designados para uso óptico o eléctrico, "dijo Ji.

La comida para llevar importante, dijo Gopalan, es que este nuevo método establece la metodología de cómo se pueden incrustar una gran cantidad de materiales en la fibra óptica y cómo se pueden reducir los huecos y las imperfecciones para aumentar la eficiencia de transferencia de luz, pasos necesarios para hacer avanzar la ciencia desde su infancia.

"La tecnología del vidrio nos ha llevado tan lejos, ", dijo Gopalan." La ambiciosa idea que Badding y mi grupo tuvieron hace unos 10 años era que el vidrio es genial, pero, ¿podemos hacer más utilizando los numerosos materiales ópticamente y electrónicos activos además del vidrio simple? Fue entonces cuando comenzamos a intentar incorporar semiconductores en fibra de vidrio ".

Como cable de fibra óptica, que tardó décadas en convertirse en un dispositivo de entrega de datos confiable, probablemente quedan décadas de trabajo para crear comercialmente viables, redes de fibra semiconductora. Los investigadores tardaron 10 años en alcanzar las fibras policristalinas con especificaciones mucho mejores, pero aún no son competitivos con el cable de fibra óptica tradicional.

"Xiaoyu ha podido partir de un núcleo de germanio y silicio amorfo muy bien depositado y utilizar un láser para cristalizarlos, para que todo el núcleo de la fibra semiconductora sea un solo cristal agradable sin límites, "dijo Gopalan." Esto mejoró la luz y la transferencia electrónica. Ahora podemos hacer algunos dispositivos reales no solo para comunicaciones, sino también para endoscopia, imagen láseres de fibra y muchos más ".

Gopalan dijo que no solo está en el negocio de crear materiales comercialmente viables. Le interesa soñar en grande y tener una visión a largo plazo de las nuevas tecnologías. Quizas un dia, cada casa nueva construida podría tener una fibra semiconductora, llevándolo a Internet más rápido.

"Es por eso que nos metimos en esto en primer lugar, ", dijo Gopalan." El grupo de Badding pudo descubrir cómo poner silicio, germanio, metales y otros semiconductores en la fibra, y este método mejora eso ".