Une nouvelle méthode pour améliorer les fibres optiques semi-conductrices pourrait conduire à une structure matérielle qui pourrait un jour révolutionner la transmission globale des données, selon une équipe interdisciplinaire de chercheurs.

Les chercheurs travaillent avec des fibres optiques semi-conductrices, qui présentent des avantages significatifs par rapport aux fibres optiques à base de silice, la technologie actuelle utilisée pour transmettre presque toutes les données numériques. Les fibres de silice—de verre—ne peuvent transmettre que des données électroniques converties en données lumineuses. Cela nécessite des appareils électroniques externes qui sont coûteux et consomment d'énormes quantités d'électricité. Fibres semi-conductrices, cependant, peut transmettre à la fois des données lumineuses et électroniques et pourrait également être en mesure de terminer la conversion des données électriques en données optiques à la volée pendant la transmission, amélioration de la vitesse de livraison.

Considérez ces conversions comme des rampes de sortie sur l'autoroute de l'information, dit Venkatraman Gopalan, professeur de science et génie des matériaux, État de Penn. Moins il y a de sorties que les données prennent, plus l'information circule vite. Appelez-le "fly-by optoélectronique, " il a dit.

En 2006, des chercheurs, dirigé par John Badding, professeur de chimie, la physique, et la science et l'ingénierie des matériaux, a d'abord développé des fibres de silicium en incorporant du silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs dans des capillaires en fibre de silice. Les fibres, composé d'une série de cristaux, étaient limités dans leur capacité à transmettre des données en raison d'imperfections, tels que les joints de grains aux surfaces où les nombreux cristaux à l'intérieur du noyau de fibre sont liés ensemble, forcé des parties de la lumière à se disperser, perturber la transmission.

Une méthode conçue par Xiaoyu Ji, doctorant en science et ingénierie des matériaux, améliore le noyau polycristallin de la fibre en faisant fondre un noyau de silicium amorphe de haute pureté déposé à l'intérieur d'un capillaire en verre de diamètre interne de 1,7 micron à l'aide d'un laser à balayage, permettant la formation de monocristaux de silicium supérieurs à 2, 000 fois plus longtemps qu'ils étaient épais. Cette méthode transforme le noyau d'un polycristal avec de nombreuses imperfections en un monocristal avec peu d'imperfections qui transmet la lumière beaucoup plus efficacement.

Ce processus, détaillé dans un trio d'articles publiés dans ACS Photonique , Matériaux optiques avancés , et Lettres de physique appliquée au début de cette année, démontre une nouvelle méthodologie pour améliorer le transfert de données en éliminant les imperfections dans le noyau de la fibre qui peut être constitué de divers matériaux. Gopalan a déclaré que les contraintes d'équipement empêchaient les cristaux d'être plus longs.

En raison du noyau ultra-petit, Ji a pu fondre et affiner la structure cristalline du matériau du noyau à des températures d'environ 750 à 930 degrés Fahrenheit, inférieur à un processus de fibrage typique pour les fibres à âme de silicium. Les températures plus basses et le temps de chauffage court qui peut être contrôlé par la puissance laser et la vitesse de balayage laser ont également empêché le capillaire de silice, qui a des propriétés thermiques différentes, de ramollir et de contaminer le noyau.

"Une pureté élevée est fondamentalement importante pour des performances élevées lorsqu'il s'agit de matériaux destinés à un usage optique ou électrique, " dit Ji.

L'important à emporter, dit Gopalan, est que cette nouvelle méthode présente la méthodologie permettant d'intégrer une multitude de matériaux dans les fibres optiques et de réduire les vides et les imperfections pour augmenter l'efficacité du transfert de lumière, étapes nécessaires pour faire progresser la science depuis ses débuts.

"La technologie du verre nous a emmenés jusqu'ici, " a déclaré Gopalan. " L'idée ambitieuse que Badding et mon groupe avaient il y a environ 10 ans était que le verre est génial, mais pouvons-nous faire plus en utilisant les nombreux matériaux électroniquement et optiquement actifs autres que le verre ordinaire. C'est à ce moment-là que nous avons commencé à essayer d'intégrer des semi-conducteurs dans la fibre de verre."

Comme le câble à fibre optique, qui a pris des décennies pour devenir un dispositif de livraison de données fiable, des décennies de travail reste probablement pour créer commercialement viable, réseaux de fibres semi-conductrices. Il a fallu 10 ans aux chercheurs pour arriver à des fibres polycristallines avec des spécifications bien meilleures, mais ne sont toujours pas compétitifs par rapport aux câbles à fibre optique traditionnels.

"Xiaoyu a pu partir d'un noyau de silicium amorphe et de germanium bien déposé et utiliser un laser pour les cristalliser, de sorte que l'ensemble du noyau de la fibre semi-conductrice soit un joli monocristal sans frontières, " a déclaré Gopalan. " Cela a amélioré la lumière et le transfert électronique. Maintenant, nous pouvons faire de vrais appareils, pas seulement pour la communication, mais aussi pour l'endoscopie, imagerie, lasers à fibre et bien d'autres."

Gopalan a déclaré qu'il n'était pas seulement dans le domaine de la création de matériaux commercialement viables. Il s'intéresse à voir grand et à voir à long terme les nouvelles technologies. Peut-etre un jour, chaque nouvelle maison construite pourrait avoir une fibre semi-conductrice, lui apporter une connexion Internet plus rapide.

"C'est pourquoi nous nous sommes lancés là-dedans en premier lieu, " a déclaré Gopalan. " Le groupe de Badding a pu comprendre comment mettre du silicium et du germanium et des métaux et autres semi-conducteurs dans la fibre, et cette méthode s'améliore là-dessus."