美國賓州州立大學(Penn State)的研究人員表示,很快地,半導體纖芯(core)光纖本身或許就能夠執行昂貴的「電-光-電」轉換,而無需依賴發射端的電-光(electronic-optical)轉換器,以及接收端昂貴的光電(optical-electronic)轉換器。

這項新發明是在1.7微米內徑的玻璃毛細管中結合單晶矽芯,並在兩端固化密封,形成單晶矽,從而在兩端結合了較便宜的單晶矽鍺以及單晶矽。這項研究是由美國賓州州立大學(Penn State)材材料科學與工程系教授Venkatraman Gopalan、John Badding以及博士研究生Xiaoyu Ji共同執行的。

20170428_Fiber_NT01P1 在1.7微米內徑的玻璃毛細管內結合非晶矽芯 (來源:Penn State)

當今所使用的簡易型光纖僅能沿著由軟性聚合物塗層包覆的玻璃管道發射光子。最佳的訊號經由從玻璃反射至聚合物的方式保留於光纖中,因而在長距離的傳輸過程中幾乎無任何訊號損耗。遺憾的是,從電腦傳送的所有資料都需要在發射端使用昂貴的電光轉換模組。

同樣地,接收器也是一個需要在接收端使用昂貴光電轉換器的電腦。為了加強訊號,不同城市之間的超長距離需要「中繼器」進行更高靈敏度的光-電轉換,接著放大電子,然後再經過超強的電光轉換器,讓光訊號通過至下一個中繼器,最終到達其目的地。

賓州州立大學的研究人員們希望開發以智慧半導體填充的光纖,賦予其可在自身進行電-光-電轉換的能力。目前,該研究團隊尚未達到目標,但已成功地在其半導體光纖中結合需要的所有材料,並證實能同時傳送光子與電子。接下來,他們需要在光纖的兩端圖案化單晶矽,以便即時執行必要的光-電與電-光轉換。

Badding曾在2006年首次展示採用矽填充光纖的可行性,Ji接著在其博士論文研究中利用雷射結合了高純度的單晶矽鍺與玻璃毛細管。其結果是更長2,000倍的智慧單矽晶密封,從而將Badding的高效率原始原型轉換成商用化可行的材料。

20170428_Fiber_NT01P2 賓州州立大學材料科學系博士候選人Xiaoyu Ji在阿貢國家實驗室進行結晶測試 (來源:Penn State)

這種超小的單晶矽芯也讓Ji得以使用雷射掃描儀,以華氏750-900度的溫度在玻璃芯的中央熔融和精煉晶體結構,從而避免矽污染玻璃。

因此,從Badding首度嘗試,到完美結合智慧半導體與簡易型光纖於相同的光-電光纖,已經花了10年多的時間了。

接下來,研究人員將開始進行最佳化(以便使智慧光纖達到媲美簡易型光纖的傳輸速度與品質),並為實際應用圖案化矽鍺,包括內視鏡、成像與光纖雷射等。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Smart Semi Fiber Does It All,by R. Colin Johnson)