Los investigadores crean una fibra multinúcleo compacta integrada en el extremo

Los investigadores crean una fibra multinúcleo compacta integrada en el extremo


Una técnica eficiente, confiable y reproducible para diseñar y fabricar una fibra de siete núcleos (SVF). En el estudio publicado en la revista se demuestra la utilización en sistemas/dispositivos electrónicos ópticos y basados ​​en la óptica integrados de alto rendimiento. Fotónica ACS.

La fibra multinúcleo ultracompacta podría desbloquear la optoelectrónica del futuro

Estudio: demultiplexor de fibra multinúcleo ultracompacto con una matriz de fotodetectores de grafeno de integración en el extremo. Crédito: Es sarawuth/Shutterstock.com

Fibras multinúcleo: ¿por qué son tan importantes?

Para aumentar la capacidad de transmisión y la capacidad de las fibras ópticas, los sistemas de multiplexación por división espacial (SDM) basados ​​en transmisión ahora se están integrando con fibras multinúcleo (MCF) en los sistemas utilizados actualmente.

La transición a fibras multinúcleo se debe al hecho de que las densidades espectrales asociadas con los sistemas basados ​​en fibra monomodo estándar (SSMF) se acercan lentamente a los límites de Shannon.

Una fibra multinúcleo contiene numerosos núcleos dentro de un solo revestimiento. Debido a estos núcleos, la fibra multinúcleo tiene una mayor capacidad de transmisión que una fibra monomodo estándar.

Las fibras multinúcleo son extremadamente importantes para SDM, ya que ofrecen una solución para mejorar la densidad de la fibra con sistemas reducidos.

Las fibras multinúcleo se han explorado ampliamente para la transmisión óptica de gran volumen, el desarrollo de sensores, la generación de imágenes y muchos otros fines.

Desafíos de las fibras multinúcleo y cómo abordarlos

En cualquier sistema de fibra multinúcleo, una unidad demultiplexor estándar requiere la conversión de fibras multinúcleo en numerosas SSMF (denominadas unidades fan-in/fan-out). Luego, estas fibras se conectan a sus respectivos fotodetectores basados ​​en infrarrojos. El resultado de todo este proceso es un sistema complicado con un enorme requerimiento de espacio, una considerable demanda de energía y costos exorbitantes.

Para abordar este problema, los dispositivos integrados de fibra multinúcleo, como las matrices de acopladores de rejilla en chip para reemplazar las unidades de entrada/salida y las matrices de fotodetectores 2D en chip, se han estudiado como fotorreceptores de puerto comprimido.

Sin embargo, estas estrategias asumen la tarea de mejorar la eficiencia de acoplamiento y la tolerancia de orientación entre diferentes conjuntos de chips y fibras. Además, aún no se han realizado correctamente análisis completos, en línea y de baja pérdida en sistemas de fibra multinúcleo.

Una nueva técnica entra en la lucha

La incorporación de sustancias electrónicas ópticamente basadas, especialmente sustancias 2D que son tan delgadas como átomos, en fibras es un concepto único que recientemente ha demostrado ser un método eficiente para superar las limitaciones inherentes a las fibras basadas en sílice.

Dispositivos electrónicos basados ​​en extremos ópticos, p. B. Las configuraciones en chip se han validado con éxito utilizando una variedad de sustancias y diseños de dispositivos. Por ejemplo, se han integrado fotodetección de mayor potencia, sustancias 2D y sus respectivas nanoestructuras apiladas en las caras de los extremos de la fibra, microfibras y hebras en forma de D.

Por otra parte, las actuales técnicas de desarrollo compatibles complican la realización de complicadas nanoestructuras de electrodos sobre fibras, lo que limita futuras aplicaciones.

Para fabricar nanoestructuras de electrodos sofisticadas en los extremos a nanoescala de una sola fibra, es necesario optimizar el proceso de fabricación estandarizado para fibras ópticas únicas, incluidas las fibras multinúcleo.

Fibra de siete núcleos (SCF)

En este artículo, el equipo desarrolló una fibra de siete núcleos extremadamente compacta. Aquí comprendieron una matriz de fotodetectores de grafeno monocapa basada en deposición de vapor químico en un extremo de una fibra con un proceso personalizado basado en litografía de haz de electrones. El objetivo era resolver el problema relacionado con la forma irregular de las fibras manteniendo unas propiedades de fabricación adecuadas.

El diseño del electrodo se simplificó enormemente mediante el uso de cátodos/ánodos de siete canales y un solo electrodo común, lo que resultó en una nanoestructura altamente asimétrica.

La fotodetección de los siete núcleos por parte del dispositivo está habilitada por la división efectiva del fotoportador en el campo eléctrico incorporado a través de la unión dopada en el grafeno de una sola capa.

La alta transparencia del grafeno de una sola capa le dio al dispositivo una capacidad de transmisión de más del 96 por ciento y admitió el análisis de estado en línea e instantáneo basado en la luz. El marco a nanoescala del dispositivo, que encoge una unidad de abanico voluminosa convencional y múltiples fotodetectores a microescala con espesor atómico, podría abrir caminos para dispositivos electrónicos ópticos y basados ​​en óptica completamente integrados con una variedad de aplicaciones.

Conclusiones

El equipo presentó un demultiplexor de fibra multinúcleo integrado en la cara final extremadamente compacto centrado en una matriz de grafeno de una sola capa. El diseño mejorado de la matriz de electrodos garantiza una respuesta rápida en un funcionamiento imparcial y permite un bajo consumo de energía. Además, el equipo destacó que una amplia gama de sustancias 2D con fotorreacciones a la radiación infrarroja podrían ser alternativas atractivas para usar en lugar del grafeno.

Con las ventajas del volumen del dispositivo de tamaño nanométrico, la transparencia mejorada, el consumo de energía insignificante y el costo marginal, el fotodetector de fibra demostrado por el equipo abre caminos hacia un mayor rendimiento y sistemas electrónicos basados ​​en óptica y ópticos totalmente integrados.

referencia

Xiong Y, Xu H y otros. (2022). Demultiplexor de fibra multinúcleo ultracompacto con una matriz de fotodetectores de grafeno de integración en el extremo. Fotónica ACS. Disponible en: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00367

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