توسعه فیبر نوری نیمه هادی بهبودیافته؛ راهکار جدید افزایش سرعت اینترنت

بر اساس گزارش وب‌سایت Futurity، محققان تمرکز خود را بر توسعه نسل جدید فیبر نوری نیمه هادی گذاشته‌اند که مزایای قابل توجهی در مقایسه با فیبر نوری سیلیکایی دارد. همان‌طور که می‌دانید، در حال حاضر از فیبر نوری سیلیکایی برای انتقال داده‌های دیجیتال استفاده می‌شود.

فیبرهای سیلکا-شیشه تنها امکان انتقال داده‌های الکترونیکی تبدیل‌شده به داده‌های نوری را فراهم می‌کنند. در قالب استفاده از این ترکیب، به دستگاه‌های الکترونیکی جانبی نیاز است که گران‌قیمت هستند و توان الکتریکی مصرفی بالایی دارند. در مقابل، فیبرهای نیمه هادی هم امکان انتقال داده‌های الکترونیکی و هم امکان انتقال داده‌های نوری را خواهند داشت. علاوه بر این، فیبرهای یادشده می‌توانند فرایند تبدیل داده‌های الکتریکی به داده‌های نوری را بدون وقفه و در طول فرایند انتقال انجام دهند. موضوعی که در نهایت امر به بهبود سرعت انتقال اطلاعات منجر خواهد شد.

ونکاترامن گوپالان پروفسور مهندسی مواد مرکز تحقیقاتی پن استیت در این خصوص می‌گوید:

برای فهم بهتر تأثیرات فرایند تبدیل، آن‌ها را به‌صورت رمپ‌های خروجی در بزرگراه‌های اطلاعاتی در نظر بگیرید. هرچه میزان خروجی داده‌ کمتر باشد، انتقال داده‌ نیز با سرعت بالاتری انجام خواهد شد. از این ساختار بدون رمپ با عنوان پرواز اپتوالکترونیکس یاد می‌شود.

سال ۲۰۰۶ تعدادی از محققان به سرپرستی جان بدینگ پروفسور شیمی، فیزیک و مهندسی مواد، با وارد کردن سیلیکون و دیگر مواد نیمه‌هادی در فضای  داخل فیبرهای سیلیکایی موفق به توسعه فیبرهای سیلیکونی شدند.

این فیبرها که از مجموعه‌ای از کریستال‌ها تشکیل شده بودند، محدودیت‌های خاصی در انتقال اطلاعات داشتند؛ محدودیتی که از عیوب ساختاری نظیر مرزهای به وجود آمده در سطح اتصال کریستال‌ها سرچشمه می‌گرفت. این مرزها باعث پراکندگی داده‌های نوری می‌شدند و در نهایت امر، در فرایند انتقال داده‌ وقفه ایجاد می‌کردند.

راهکاری که در ادامه توسط ژیائو جی توسعه پیدا کرد، بهبود ساختار هسته پلی‌کریستالی فیبرها را به همراه داشت. این بهبود از طریق ذوب کردن هسته سیلیکونی بی‌نظم و با خلوص بالا که در داخل غشای شیشه‌ای با قطر داخلی ۱.۷ میکرون قرار گرفته است، ممکن شد. این راهکار، در نهایت باعث ایجاد ساختارهای کریستالی یکپارچه سیلیکونی شد. به بیان ساده‌تر، این روش باعث شد هسته فیبر از ساختاری پلی‌کریستالی با عیوب زیاد، به کریستالی یکپارچه و با ایرادات کمتر تبدیل شود و در نهایت، انتقال داده‌های نوری با بازده بالاتری صورت گیرد.

این فرایند در سه مقاله مجزا به‌طور کامل توضیح داده شده است. گوپالان معتقد است محدودیت‌های تجهیزات استفاده‌شده در این روش، مانعی بر سر راه ایجاد کریستال‌های بزرگ‌تر بوده است.

با توجه به هسته‌های فوق کوچک، جی فرصت پیدا کرد تا فرایند ذوب و تصفیه ساختارهای کریستالی را در درمای ۷۵۰ تا ۹۳۰ درجه فارنهایت انجام دهد. این دما به‌مراتب کمتر از حرارت مورد نیاز برای فرایند متداول ذوب و پالایش در فیبرهای با هسته سیلیکونی است. دمای پایین‌تر و زمان کمتر گرمادهی را می‌توان با استفاده از مدیریت توان لیزری و سرعت اسکن لیزی به دست آورد که این امر هم مانع نرم شدن غشای سیلیکونی و ترکیب آن با هسته خواهد شد. جی معتقد است خلوص بالای مواد مورد استفاده برای کاربردهای الکترونیکی یا نوری، نقش ویژه‌ای در عملکرد بالای محصول نهایی خواهد داشت.

گوپالان باور دارد نتیجه مهم این تحقیق، بهره‌برداری از راهکاری است که امکان ادغام مواد را در فیبرهای نوری و در نهایت، جلوگیری از بروز عیوب در محصول نهایی فراهم می‌کند. موضوعی که به بهبود بازده در فرایند انتقال نوری منجر خواهد شد. این راهکار، ایده بهینه‌سازی ادغام نیمه‌هادی‌ها را با فیبرهای شیشه‌ای مطرح کرد. ایده‌ای که موضوع اصلی پژوهش‌های جدید محققان است. 

همان‌طور که به چندین دهه زمان نیاز بود تا کابل‌ فیبر نوری به گزینه‌‌ای قابل اعتماد برای انتقال داده‌ تبدیل شود، در اینجا نیز زمان زیادی لازم است تا شبکه‌های فیبر نیمه‌هادی به مرحله بهره‌برداری تجاری برسند. بد نیست بدانید به حدود ۱۰ سال زمان نیاز بود تا محققان به تولید فیبرهای پلی کریستال برسند؛ فیبرهایی که بهتر از نمونه‌های قبلی بودند اما در مقایسه با فیبرهای نوری سنتی، مزایای چشمگیری پیش روی کاربران قرار نمی‌دادند.

گوپالان معتقد است از محصول نهایی که در پرتو تحقیقات اخیر به دست خواهد آمد، علاوه بر حوزه ارتباطات می‌توان در آندوسکوپی، تصویربرداری، علوم لیزری و  سایر رشته‌ها نیز استفاده کرد.

شاید روزی برسد که تمامی خانه‌ها با استفاده از فیبرهای نیمه‌هادی بتوانند دسترسی سریع‌تری به اینترنت تجربه کنند. گوپالان رسیدن به این نتیجه را یکی از دلایل اصلی آغاز تحقیقات جدید می‌داند. او در ادامه می‌گوید:

گروه بدینگ موفق شد راهکاری برای ادغام سیلیکون، ژرمانیوم، فلزات و دیگر نیمه‌ها‌دی‌ها با فیبرها ایجاد کند و تحقیقات ما بهبود این راهکار را  به همراه خواهد داشت.

بد نیست بدانید سرمایه انجام این تحقیقات توسط مرکز تحقیقاتی علوم و مهندسی مواد Penn State تأمین شده است.