Naukowcy z Penn State University w Stanach Zjednoczonych stwierdzili, że wkrótce rdzeń światłowodu półprzewodnikowego będzie mógł sam wykonywać kosztowną konwersję „elektryczno-optyczno-elektryczną” bez konieczności stosowania przetworników elektryczno-optycznych (elektronowo-optycznych) i kosztownych przetworników optyczno-elektronicznych po stronie odbiorczej.

Ten nowy wynalazek polega na połączeniu pojedynczego kryształu krzemowego rdzenia w szklanej kapilarze o średnicy wewnętrznej 1,7 mikrona, a następnie zestaleniu i uszczelnieniu na obu końcach, aby utworzyć pojedynczy kryształ krzemu, łącząc w ten sposób tańszy pojedynczy kryształ krzemu, german i pojedynczy kryształ krzemu na obu końcach. Badania te zostały przeprowadzone wspólnie przez profesorów Venkatramana Gopalana i Johna Baddinga z Wydziału Nauki o Materiałach i Inżynierii Materiałowej na Penn State University oraz doktoranta Xiaoyu Ji.

Wbudować amorficzny rdzeń krzemowy w szklaną kapilarę o średnicy wewnętrznej 1,7 mikrona

Proste włókno światłowodowe używane obecnie może emitować fotony tylko wzdłuż szklanej rurki pokrytej miękką powłoką polimerową. Najlepszy sygnał jest zatrzymywany w włóknie optycznym poprzez odbicie od szkła do polimeru, więc prawie nie ma utraty sygnału podczas transmisji na duże odległości. Niestety, wszystkie dane przesyłane z komputera wymagają użycia drogich modułów konwersji elektrooptycznej po stronie nadawczej.

Podobnie odbiornik jest komputerem, który wymaga drogich konwerterów fotoelektrycznych po stronie odbiorczej. Aby wzmocnić sygnał, ultradługa odległość między różnymi miastami wymaga „repeatera”, który wykona bardziej czułą konwersję optyczno-elektryczną, a następnie wzmocni elektrony, a następnie przepuści je przez superelektro-optyczny konwerter, aby umożliwić sygnałowi optycznemu przejście do następnego. Przekaźnik w końcu dociera do celu.

Naukowcy z Penn State University mają nadzieję na opracowanie światłowodów wypełnionych inteligentnymi półprzewodnikami, co umożliwi im samodzielne przeprowadzanie konwersji elektryczno-optyczno-elektrycznej. Obecnie zespół badawczy nie osiągnął jeszcze swojego celu, ale udało mu się połączyć wszystkie wymagane materiały w swoim półprzewodnikowym światłowodzie i udowodnić, że może on przesyłać fotony i elektrony w tym samym czasie. Następnie muszą utworzyć wzór monokrystalicznego krzemu na obu końcach światłowodu, aby przeprowadzić niezbędną konwersję optyczno-elektryczną i elektryczno-optyczną w czasie rzeczywistym.

Badding wykazał wykonalność wykorzystania włókien wypełnionych krzemem w 2006 r., a następnie Ji użył laserów do połączenia wysoce czystego monokrystalicznego germanu krzemowego z kapilarami szklanymi w badaniach nad rozprawą doktorską. Rezultatem jest inteligentna uszczelka monosilikonowa, która jest 2000 razy dłuższa, co przekształca wysoce wydajny oryginalny prototyp Baddinga w materiał komercyjnie opłacalny.

Xiaoyu Ji, doktorantka na Wydziale Nauki o Materiałach na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii, przeprowadza testy krystalizacji w Argonne National Laboratory

Ten niezwykle mały, monokrystaliczny rdzeń krzemowy pozwala również Ji na wykorzystanie skanera laserowego do stopienia i udoskonalenia struktury krystalicznej w środku szklanego rdzenia w temperaturze 750–900 stopni Fahrenheita, zapobiegając w ten sposób zanieczyszczeniu szkła krzemem.

Dlatego od pierwszej próby Baddinga połączenia inteligentnych półprzewodników i prostych włókien optycznych za pomocą tego samego włókna optyczno-elektrycznego minęło ponad 10 lat.

Następnie naukowcy rozpoczną optymalizację (w celu umożliwienia inteligentnemu włóknu osiągnięcia prędkości transmisji i jakości porównywalnej do światłowodu prostego) i opracowanie wzoru krzemowo-germanowego do zastosowań praktycznych, w tym endoskopów, obrazowania i laserów światłowodowych.