Um novo método para melhorar a fibra óptica semicondutora pode levar a uma estrutura de material que pode um dia revolucionar a transmissão global de dados, de acordo com uma equipe interdisciplinar de pesquisadores.

Os pesquisadores estão trabalhando com fibras ópticas semicondutoras, que possuem vantagens significativas sobre a fibra óptica à base de sílica, a tecnologia atual usada para transmitir quase todos os dados digitais. As fibras de sílica - vidro - só podem transmitir dados eletrônicos convertidos em dados de luz. Isso requer dispositivos eletrônicos externos que são caros e consomem enormes quantidades de eletricidade. Fibras semicondutoras, Contudo, pode transmitir dados luminosos e eletrônicos e também pode ser capaz de completar a conversão de dados elétricos em ópticos durante a transmissão, melhorando a velocidade de entrega.

Pense nessas conversões como rampas de saída na autoestrada da informação, disse Venkatraman Gopalan, professor de ciência e engenharia de materiais, Estado de Penn. Quanto menos saídas os dados tomam, quanto mais rápido a informação viaja. Chame-o de "optoeletrônica fly-by, " ele disse.

Em 2006, pesquisadores, liderado por John Badding, professor de química, física, e ciência e engenharia de materiais, primeiro desenvolveu fibras de silício incorporando silício e outros materiais semicondutores em capilares de fibra de sílica. As fibras, composta por uma série de cristais, foram limitados em sua capacidade de transmitir dados devido a imperfeições, como limites de grão nas superfícies onde os muitos cristais dentro do núcleo da fibra se ligaram, porções forçadas da luz a se espalhar, interromper a transmissão.

Um método desenvolvido por Xiaoyu Ji, candidato a doutorado em ciência e engenharia de materiais, melhora o núcleo policristalino da fibra ao derreter um núcleo de silício amorfo de alta pureza depositado dentro de um capilar de vidro de 1,7 mícron de diâmetro interno usando um laser de varredura, permitindo a formação de cristais únicos de silício que eram mais de 2, 000 vezes mais do que grossas. Este método transforma o núcleo de um policristal com muitas imperfeições em um único cristal com poucas imperfeições que transmite a luz com muito mais eficiência.

Esse processo, detalhado em um trio de artigos publicados em ACS Photonics , Materiais Óticos Avançados , e Cartas de Física Aplicada no início deste ano, demonstra uma nova metodologia para melhorar a transferência de dados, eliminando imperfeições no núcleo da fibra que pode ser feito de vários materiais. Gopalan disse que as limitações do equipamento impediram que os cristais fossem mais longos.

Por causa do núcleo ultrapequeno, Ji foi capaz de derreter e refinar a estrutura cristalina do material do núcleo em temperaturas de cerca de 750 a 930 graus Fahrenheit, mais baixo do que um processo de estiramento de fibra típico para fibras de núcleo de silício. As temperaturas mais baixas e o curto tempo de aquecimento que pode ser controlado pela potência do laser e a velocidade de varredura do laser também impediram o capilar de sílica, que tem diferentes propriedades térmicas, de amolecimento e contaminação do núcleo.

"Alta pureza é fundamentalmente importante para alto desempenho ao lidar com materiais designados para uso óptico ou elétrico, "disse Ji.

A lição importante, disse Gopalan, é que este novo método apresenta a metodologia de como uma série de materiais podem ser incorporados à fibra óptica e como os vazios e imperfeições podem ser reduzidos para aumentar a eficiência de transferência de luz, passos necessários para o avanço da ciência desde a sua infância.

"A tecnologia do vidro nos levou até aqui, "disse Gopalan." A ideia ambiciosa que Badding e meu grupo tiveram há cerca de 10 anos era que o vidro é ótimo, mas podemos fazer mais usando os numerosos materiais eletronicamente e opticamente ativos, além do vidro comum. Foi quando começamos a tentar incorporar semicondutores na fibra de vidro. "

Como o cabo de fibra ótica, que levou décadas para se tornar um dispositivo confiável de entrega de dados, décadas de trabalho provavelmente permanecem para criar comercialmente viável, redes de fibras semicondutoras. Demorou 10 anos para os pesquisadores alcançarem as fibras policristalinas com especificações muito melhores, mas ainda não são competitivos com o cabo de fibra óptica tradicional.

"Xiaoyu conseguiu começar a partir de um núcleo de germânio e silício amorfo bem depositado e usar um laser para cristalizá-los, de modo que todo o núcleo da fibra semicondutora é um único cristal agradável sem limites, "disse Gopalan." Isso melhorou a luz e a transferência eletrônica. Agora podemos fazer alguns dispositivos reais, não apenas para comunicações, mas também para endoscopia, imagem, lasers de fibra e muito mais. "

Gopalan disse que não está apenas no negócio de criar materiais comercialmente viáveis. Ele está interessado em sonhar grande e ter uma visão de longo prazo das novas tecnologias. Talvez um dia, cada nova casa construída pode ter uma fibra semicondutora, trazendo uma internet mais rápida para ele.

"É por isso que entramos nisso em primeiro lugar, "disse Gopalan." O grupo de Badding foi capaz de descobrir como colocar silício, germânio, metais e outros semicondutores na fibra, e este método melhora isso. "