Ученые встраивают электронные компоненты в оптоволокно

В основу инновационного решения положена процедура внесения полупроводниковых материалов слой за слоем в микроскопические поры участка оптического волокна

В Университете штата Пенсильвания разработали метод встраивания электронного перехода непосредственно в оптоволокно. В будущем это позволит оптимизировать многие устройства передачи данных.

«Ученым впервые удалось встроить электронные компоненты непосредственно в оптоволокно», — заявил Джон Бэддинг, профессор химии этого университета, который руководил исследованиями.

Таких результатов не достигал прежде никто, подчеркнул Бэддинг. В свежем выпуске журнала Nature Photonics опубликована статья Integration of GHz Bandwidth Semiconductor Devices inside Microstructured Optical Fibres («Интеграция гигагерцевых полупроводниковых устройств в микроструктурированное оптическое волокно»). Принятый подход «предлагает принципиально новый способ интеграции электронных устройств в оптическое волокно, путем встраивания его непосредственно в волокно близи светонаправляющего ядра», объяснил Бэддинг.

Преобразование светового сигнала в электрический и наоборот — одна из основных операций передачи данных. Данные передаются на большие расстояния главным образом в виде световых импульсов, передаваемых по оптоволокну. Для обработки данных в компьютере они должны быть представлены в электронном виде.

«Вне компьютера носителем данных является свет, внутри — электричество. В некоторой точке требуется обеспечить их взаимодействие, — пояснил Джон Баллато, профессор Центра изучения оптических свойств материалов и инженерных методов Университета Клемсона и директор этого центра. Университет проводит исследования, подобные тем, которые ведут ученые из Пенсильвании. — Мы наблюдаем сейчас попытки свести оптику и электронику».

Сегодня для преобразования света в электронные сигналы и наоборот требуются специальные выделенные электронные компоненты, то есть чип с подключенным к нему источником света. Такие компоненты занимают место и создают дополнительный уровень сложности в архитектуре оптоэлектрической системы. Имеются также чисто механические проблемы объединения оптических и электронных компонентов, так как волокно имеет цилиндрическую форму, а электронные компоненты плоские. Имеется также диспропорция в размерах: светонаправляющие элементы, встроенные в чип, могут быть до 100 раз меньше, чем оптические волокна, подсоединенные к нему. Это создает значительную потерю соответствия, для преодоления которой требуются специальные средства.

В основу инновационного решения Университета Пенсильвании положена процедура, предполагающая внесение полупроводниковых материалов слой за слоем в микроскопические поры участка оптического волокна. Для этого применяется процесс химического осаждения из паровой фазы под воздействием высокого давления. Были проведены серьезные химические исследования, сообщил Бэддинг. Оптико-электронные переходы имеют ширину от 5 до 10 микрон и несколько сантиметров в длину и могут воспринимать данные на частотах вплоть до 3 ГГц на стандартном одномодовом оптическом волокне.

Ожидается, что преобразование световых импульсов в электронные сигналы непосредственно в оптоволокне поможет в корне пересмотреть архитектуру имеющихся продуктов, таких, например, как оптические маршрутизаторы, и даже позволит создать продукты, которые невозможно было бы предложить в противном случае. Так же, как микропроцессоры создаются на основе интегральной схемы, так и новые разработки позволят объединить оптоэлектрические устройства, что может привести к предложению абсолютно новых технологий. «Мы опирались на все знания об интегральных схемах и начинали создавать аналоговые устройства на базе оптоволокна, делая их в большей степени интегрированными в оптоволоконные компоненты, используемые в коммуникациях», — пояснил Баллато.

Помимо университетов Пенсильвании и Клемсона, работы в этом направлении ведет Массачусетский технологический институт. Преимущество подхода Бэддинга заключается в том, что процесс формирования слоев обеспечивает хороший контроль встраивания компонентов в волокно, отметил Баллато.

Бэддинг признал, что они сделали только первый шаг в этом направлении. Ученые не занимались решением проблем преобразования электронных сигналов обратно в оптические импульсы. Для этого могут потребоваться дополнительные полупроводниковые материалы помимо кремния. Не исследовались также многомодовые волокна, используемые сейчас для передачи данных на большие расстояния. Тем не менее результаты исследования намечают путь для будущей коммерциализации технологии. «С моей точки зрения, процесс прост, и я не вижу причин, почему он не может масштабироваться», — заявил Бэддинг.