Các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State ở Hoa Kỳ cho biết, trong tương lai gần, bản thân lõi sợi bán dẫn có thể thực hiện chuyển đổi “điện-quang-điện” tốn kém mà không cần dựa vào bộ chuyển đổi điện-quang (điện tử-quang) và bộ chuyển đổi quang-điện tử đắt tiền ở đầu nhận.

Phát minh mới này là kết hợp lõi silicon đơn tinh thể trong mao quản thủy tinh có đường kính bên trong là 1,7 micron, đông đặc và bịt kín ở cả hai đầu để tạo thành silicon đơn tinh thể, do đó kết hợp germani silicon đơn tinh thể rẻ hơn và silicon đơn tinh thể ở cả hai đầu. Nghiên cứu này được tiến hành chung bởi các giáo sư Venkatraman Gopalan và John Badding tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Penn State và nghiên cứu sinh tiến sĩ Xiaoyu Ji.

Kết hợp lõi silic vô định hình vào mao quản thủy tinh có đường kính bên trong là 1,7 micron

Sợi quang đơn giản được sử dụng ngày nay chỉ có thể phát ra photon dọc theo ống thủy tinh được phủ một lớp polymer mềm. Tín hiệu tốt nhất được giữ lại trong sợi quang bằng cách phản xạ từ thủy tinh đến polymer, do đó hầu như không bị mất tín hiệu trong quá trình truyền dẫn đường dài. Thật không may, tất cả dữ liệu được truyền từ máy tính đều yêu cầu sử dụng các mô-đun chuyển đổi quang điện đắt tiền ở đầu truyền.

Tương tự như vậy, máy thu là một máy tính đòi hỏi bộ chuyển đổi quang điện đắt tiền ở đầu thu. Để tăng cường tín hiệu, khoảng cách cực xa giữa các thành phố khác nhau đòi hỏi một "bộ lặp" để thực hiện chuyển đổi quang-điện nhạy hơn, sau đó khuếch đại các electron, sau đó đi qua bộ chuyển đổi siêu quang điện để cho tín hiệu quang truyền đến tiếp theo. Rơ le cuối cùng đến đích.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State hy vọng sẽ phát triển các sợi quang chứa đầy chất bán dẫn thông minh, giúp chúng có khả năng tự thực hiện chuyển đổi điện-quang-điện. Hiện tại, nhóm nghiên cứu vẫn chưa đạt được mục tiêu, nhưng đã kết hợp thành công tất cả các vật liệu cần thiết trong sợi quang bán dẫn của mình và chứng minh rằng nó có thể truyền photon và electron cùng lúc. Tiếp theo, họ cần tạo mẫu silicon tinh thể đơn ở cả hai đầu của sợi quang để thực hiện chuyển đổi quang-điện và điện-quang cần thiết theo thời gian thực.

Badding đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng sợi silicon vào năm 2006, và sau đó Ji đã sử dụng tia laser để kết hợp tinh thể đơn silicon germanium có độ tinh khiết cao với mao quản thủy tinh trong nghiên cứu luận án tiến sĩ của mình. Kết quả là một con dấu monosilicon thông minh dài hơn 2.000 lần, biến nguyên mẫu ban đầu hiệu suất cao của Badding thành vật liệu khả thi về mặt thương mại.

Xiaoyu Ji, ứng viên tiến sĩ tại Khoa Khoa học Vật liệu thuộc Đại học Penn State, tiến hành thử nghiệm kết tinh tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne

Lõi silicon đơn tinh thể siêu nhỏ này cũng cho phép Ji sử dụng máy quét laser để làm tan chảy và tinh chỉnh cấu trúc tinh thể ở trung tâm lõi thủy tinh ở nhiệt độ 750-900 độ F, do đó tránh được tình trạng silicon làm bẩn thủy tinh.

Do đó, phải mất hơn 10 năm kể từ nỗ lực đầu tiên của Badding cho đến khi kết hợp chất bán dẫn thông minh và sợi quang đơn giản với cùng một sợi quang điện.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ bắt đầu tối ưu hóa (để sợi thông minh đạt được tốc độ truyền và chất lượng tương đương với sợi đơn giản) và tạo mẫu silicon germani cho các ứng dụng thực tế, bao gồm nội soi, hình ảnh và laser sợi quang.