قال باحثون في جامعة ولاية بنسلفانيا في الولايات المتحدة إن الألياف ذات النواة شبه الموصلة قد تكون قادرة قريبًا على إجراء تحويل "كهربائي بصري كهربائي" باهظ الثمن دون الاعتماد على المحولات الكهربائية البصرية (الإلكترونية البصرية)، والمحولات البصرية الإلكترونية باهظة الثمن في الطرف المستقبل.

هذا الاختراع الجديد هو الجمع بين نواة سيليكون أحادية البلورة في شعيرات زجاجية بقطر داخلي يبلغ 1.7 ميكرون، وتصلبها وختمها عند كلا الطرفين لتشكيل سيليكون أحادي البلورة، وبالتالي الجمع بين السيليكون أحادي البلورة الأرخص الجرمانيوم والسيليكون أحادي البلورة عند كلا الطرفين. تم إجراء هذا البحث بشكل مشترك من قبل الأستاذين فينكاترامان جوبالان وجون بادينج في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة ولاية بنسلفانيا، وطالب الدكتوراه شياويو جي.

دمج نواة من السيليكون غير المتبلور في شعيرات زجاجية بقطر داخلي يبلغ 1.7 ميكرون

لا يمكن للألياف الضوئية البسيطة المستخدمة اليوم أن تصدر فوتونات إلا على طول أنبوب زجاجي مغطى بطبقة بوليمرية ناعمة. ويتم الاحتفاظ بأفضل إشارة في الألياف الضوئية عن طريق الانعكاس من الزجاج إلى البوليمر، وبالتالي لا يوجد أي فقدان للإشارة تقريبًا أثناء النقل لمسافات طويلة. ومن المؤسف أن جميع البيانات المنقولة من الكمبيوتر تتطلب استخدام وحدات تحويل كهروضوئية باهظة الثمن في الطرف الناقل.

وبالمثل، فإن جهاز الاستقبال هو عبارة عن كمبيوتر يتطلب محولات ضوئية كهربائية باهظة الثمن في الطرف المستقبل. ومن أجل تعزيز الإشارة، تتطلب المسافة الطويلة للغاية بين المدن المختلفة "مكررًا" لإجراء تحويل ضوئي كهربائي أكثر حساسية، ثم تضخيم الإلكترونات، ثم المرور عبر محول ضوئي كهربائي فائق للسماح للإشارة الضوئية بالمرور إلى المرحلة التالية. يصل التتابع أخيرًا إلى وجهته.

ويأمل الباحثون في جامعة ولاية بنسلفانيا في تطوير ألياف بصرية مملوءة بأشباه الموصلات الذكية، مما يمنحها القدرة على إجراء تحويل كهربائي-بصري-كهربائي بمفردها. وفي الوقت الحاضر، لم يصل فريق البحث إلى هدفه بعد، لكنه نجح في الجمع بين جميع المواد المطلوبة في الألياف البصرية شبه الموصلة وأثبت أنها قادرة على نقل الفوتونات والإلكترونات في نفس الوقت. وبعد ذلك، يحتاجون إلى نمذجة السيليكون أحادي البلورة على طرفي الألياف البصرية لإجراء التحويل الضوئي-الكهربائي والكهربائي-البصري اللازم في الوقت الفعلي.

في عام 2006، أثبت بادينج جدوى استخدام الألياف المملوءة بالسيليكون، ثم استخدم جي الليزر لدمج بلورات السيليكون الجرمانيوم أحادية النقاء مع الشعيرات الزجاجية في بحثه لنيل الدكتوراه. وكانت النتيجة عبارة عن ختم أحادي السيليكون ذكي أطول بمقدار 2000 مرة، مما يحول النموذج الأولي الأصلي عالي الكفاءة الذي ابتكره بادينج إلى مادة قابلة للتطبيق تجاريًا.

شياويو جي، مرشحة الدكتوراه في قسم علوم المواد في جامعة ولاية بنسلفانيا، تجري اختبارات التبلور في مختبر أرجون الوطني

كما يسمح هذا النواة المصنوعة من السيليكون أحادي البلورة صغير الحجم للغاية لـ Ji باستخدام ماسح ضوئي ليزري لإذابة وتنقية البنية البلورية في وسط النواة الزجاجية عند درجة حرارة تتراوح بين 750 و900 درجة فهرنهايت، وبالتالي تجنب تلوث الزجاج بالسيليكون.

لذلك، فقد استغرق الأمر أكثر من 10 سنوات منذ المحاولة الأولى لبادينغ للجمع بين أشباه الموصلات الذكية والألياف الضوئية البسيطة مع نفس الألياف الضوئية الكهربائية.

بعد ذلك، سيبدأ الباحثون في التحسين (من أجل جعل الألياف الذكية تصل إلى سرعة نقل وجودة مماثلة للألياف البسيطة)، وتصميم الجرمانيوم السيليكوني للتطبيقات العملية، بما في ذلك المناظير والتصوير والليزر الليفي.