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2017/04/25
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根据一个跨学科的研究小组的最新研究进展，一种新的方法可改善半导体光纤材料的结构，并可能会有一天让全球的数据传输发生革命性变化。
研究人员正研究的半导体光纤，它拥有比基于硅材料的光纤更为重要的优势。这种光纤技术用于传输几乎所有的数字数据。石英玻璃光纤只能传输电子数据转换成光数据。这需要昂贵的外部电子设备，消耗大量的电力。然而，半导体光纤可以传输光和电子数据，也可以在传输过程中完成从电到光数据的转换，提高传输速度。
考虑到这种这些转换可能会作为高速通讯的出口通道，Venkatraman Gopalan说，他是材料科学与工程系教授，目前在宾州州立大学。数据的出口越少，信息传递的速度越快。称之为“光电飞行”，他说。
早在在2006年，在化学物理学以及材料科学与工程学教授John Badding的带领下的研究人员，首先研制出硅纤维嵌入硅等半导体材料的二氧化硅纤维的毛细纤维。这种包含了一系列晶体的纤维，由于其结构的缺陷，限制了它们的传输数据的能力，因为其结构的不完善，如晶界的表面内的许多晶体内的纤维芯接合在一起，迫使部分光散射，破坏传输。
一种由Xiaoyu Ji（材料科学与工程博士候选人）提出的方法，改进了多晶纤维的核心，这种方法是用扫描激光熔化沉积高纯度的无定形硅，其芯内直径为1．7微米内径的玻璃毛细管，从而形成硅单晶体的长度均超过2000倍，并保证了厚度。这种方法将具有许多缺陷的多晶体中的纤芯转移到了到一个具有较少缺陷的单一的晶体中，实现了更有效地光传输。
今年早些时候，在《ACS光子学》、《高级光学材料》和《应用物理学快报》上发表的三篇文章中，详细介绍了一个新的方法，该方法通过消除各种材料的纤芯缺陷来改善数据传输。Gopalan说，但由于设备的限制使得晶体无法更长。
由于超小的核心，这种方法能够熔化和细化的纤芯材料的晶体结构，在约750至930华氏度的温度下，低于典型硅芯光纤的拉丝工艺温度。较低的温度和较短的加热时间，可以控制由激光功率和激光扫描速度也防止二氧化硅毛细管，由于多种材料具有不同的热性能，产生软化和对纤芯产生不好的影响。
半导体光纤光学改善方法为设备应用铺平道路
“对于高性能的用途，如处理指定的光学或电气用途，这种材料的高纯度是至关重要”Ji说。
最重要的应用，Gopalan说，这种新方法提供了对许多材料可以嵌入到光纤和减少空隙缺陷并可以增加光转换效率的一种方法，这也是这项技术从起步阶段推到先进科学领域必要的步骤。
“玻璃技术已经把我们带到了这么远的位置，”Gopalan说。“我们的研究小组中，大约10年前，玻璃领域是很有前景的，但我们可以通过使用大量的电子和光学活性物质，比普通玻璃做的更多。就在那时，我们开始尝试将半导体嵌入玻璃纤维中。”
就像光缆，几十年来成为一个可靠的数据传输设备一样，通过几十年的研究工作可能仍然创造出商业可行的，半导体光纤网络。研究人员花了10年时间才使多晶光纤达到性能远远优于传统光纤的规格，但与传统光缆相比仍然没有竞争力。
“这种方法利用激光已经能够很好地实现了沉积的非晶硅和锗纤芯，使整个半导体光纤芯成为一个没有边界的单晶体，”Gopalan说。“这种改进的光和电子传输。现在，我们可以用来实现一些真正的设备，不仅用于通信，但也为内窥镜，成像，光纤激光器等领域”。
Gopalan说，他不仅是在创造商业上可行的材料。他对更大的应用前景大有兴趣，对新技术持长远观点。也许有一天，每一个新建的家庭可能有一个半导体光纤，带来更快的互联网。
“这就是为什么我们首选进行这个领域的研究，”Gopalan说。“我们的研究小组能想出如何把硅和锗等半导体与金属的纤维进行融合，这种方法就是旨在提高这种融合的。”
