Glassfiber som kan mer enn å overføre lys

Av: Nancy Bazilchuk/Gemini

Fiberoptikk brukes for eksempel til å overføre lys i kabler og gi oss internett. Men nye oppdagelser gir nye muligheter.

Fiberoptikk brukes i dag i alt fra kommunikasjonssystemer til medisinske instrumenter.

Glassfibre kan koble oss til internett. Teknologien gjør også kikkhullskirurgi mulig ved å lede lys gjennom et endoskop, som blant annet brukes i undersøkelser av tarm, spiserør og luftveier.

Siden dagens fiberoptikk er så allsidig, har forskere over hele verden jobbet med å utvide anvendelsesområdet ytterligere ved å tilsette halvledermaterialer i fiberkjernen. Halvledere kan manipulere et materiale til å lede strøm i bestemte retninger.

En gruppe forskere har nå utviklet glassfibre med monokrystallinsk silisium-germanium i kjernen. Det gir optiske fibre mulighet til å gjøre langt mer enn å overføre lys.

– Denne prosessen kan bidra i utviklingen av høyhastighets-halvlederenheter, og utvide endoskopets bruksmuligheter, sier Ursula Gibson, fysikkprofessor ved NTNU.

Gibson er en av forfatterne av en vitenskapelig artikkel som temaet.

– Denne artikkelen legger grunnlaget for utvikling av nye instrumenter innen flere ulike områder, sier Gibson.

Årsaken er at germaniumet i silisiumkjernen gjør forskerne i stand til å endre spesifikke fysiske egenskaper ved disse glassfiberne.

Smelting og rekrystallisasjon

For å forstå hva forskerne gjorde, må vi vite at silisium og germanium har ulike smeltepunkt. Når de to stoffene blandes i glassfiber, blir biter av germanium-rikt materiale tilfeldig spredd i fiberkjernen, omkranset av germanium-fattig materiale. Dette skjer fordi silisiumet har et høyere smeltepunkt, og derfor stivner eller «fryser» først. Resultatet blir altså en ujevn fordeling av germanium i fiberkjernen. Germanium-bitene hindrer fiberens evne til å overføre lys eller informasjon.

– Til å begynne med ser ikke disse fibrene så bra ut, forklarer Gibson.

Hurtig oppvarming av fibrene, ved at de beveges gjennom en laserstråle, gjorde derimot at forskerne kunne smelte halvlederne i kjernen på en kontrollert måte. Ved å utnytte forskjellene i måten stoffene stivner på, kunne forskerne kontrollere den lokale konsentrasjonen av germanium på innsiden av fiberen, avhengig av hvor de fokuserte laserstrålen, og i hvor lang tid.

– Hvis vi tar en fiber og smelter kjernen uten å bevege den, kan vi samle små germanium-rike dråper i en smeltesone. Det er denne som krystalliseres sist når vi sakte fjerner laserstrålen, sier Gibson.

– På denne måten kan vi lage striper og punkter. Du kan lage serier av strukturer som gjør deg i stand til å detektere og manipulere lys.

Ved å skru av og på laserstrålen periodisk mens den beveget seg langs silisium-germanium-fiberen, kunne de i tillegg lage en potensielt svært nyttig struktur: en serie med germanium-rike striper på tvers av kjernen som var 150 mikrometer i diameter.

Dette mønsteret skaper et såkalt fiber-braggitter, en strukturendring i et lite område i den optiske fiberen. Resultatet kan bidra til å utvide mulighetene til instrumenter som benytter lys med lang bølgelengde.

– Dette kan være nyttig for dem som jobber med medisinsk avbildning, sier Gibson.

Hurtig oppvarming, men avkjøling er nøkkelen

Et annet sentralt aspekt ved geometrien og laseroppvarmingen av silikon-germanium-fiberen er at når fiberen er oppvarmet, kan den også avkjøles veldig raskt, mens fiberen fjernes fra laserstrålen.

Kontrollert, hurtig avkjøling gjør at blandingen kan stivne i én sammenhengende krystall som strekker seg gjennom hele fiberen – noe som gjør den veldig godt egnet for optisk overføring.

Tidligere har folk som jobber med makroskopiske silisium-germanium-legeringer, hatt problemer med å skape en enhetlig krystall som består av en slik perfekt blanding – fordi de ikke har hatt nok kontroll over temperaturprofilen på prøven.

– Når du varmer opp og kjøler ned, får du en ujevn sammensetning i fiberen, fordi den siste delen som stivner konsentrerer overflødig germanium, forklarer Gibson. – Vi har vist at vi kan lage silisium-germanium-krystaller på en effektiv måte så lenge vi har høy temperaturstigning og en kontrollert vekstretning.

Transistorer som veksler raskere

Ifølge Gibson kan laseroppvarmingen også brukes til å forenkle innlemming av silisium-germanium-legeringer i transistorkretsløp. En transistor er en elektronisk komponent framstilt av halvlederkrystall, som sammen med andre elektroniske komponenter kan brukes til å forsterke eller generere signaler.

– Laserbehandlingsprosessen kan tilpasses til tynnfilm-legeringer i integrerte kretser» sier hun.

Tradisjonelt har elektronikkforskere undersøkt andre materialer, som for eksempel galliumarsenid, i deres forsøk på å utvikle stadig raskere transistorer. Blandingen av silisium og germanium, ofte kalt SiGe, gjør derimot at elektroner kan bevege seg gjennom materialet raskere enn gjennom rent silisium. Legeringen er også kompatibel med vanlige integrerte kretssystemer.

– SiGe lar deg lage transistorer som veksler raskere enn dagens silisium-baserte transistorer, og resultatene fra forskningen vår kan påvirke hvordan de produseres og inkorporeres i integrerte kretser, sier Gibson.

Hun har samarbeidet med David André Coucheron, Nilesh Patil, Ole Tore Buset og Dag Breiby fra NTNU, med Kungliga Tekniska Högskolan i Sverige, Newcastle University og University of Southampton i Storbritannia og Clemson University i USA.