Nanostrukturyzacja wewnątrz włókna szklanego w światłowodach pozwala na dowolne kształtowanie współczynnika załamania światła w rdzeniu. Dodatkowym atutem jest możliwość znacznego zwiększenia średnicy rdzenia światłowodu przy zachowaniu bardzo dobrej jakości wiązki co jest kluczowe w nowoczesnych sieciach teleinformatycznych i laserach. Zespół naukowców z Zakładu Szkieł Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, pod kierunkiem dr hab. inż. Ryszarda Buczyńskiego, prowadzi od 4 lat intensywne badania w tej dziedzinie. Efekty prac naukowo-badawczych posłużą do stworzenia najnowszej generacji światłowodów do zastosowania w technice laserowej, telekomunikacji i energetyce.
Przed kilkoma dniami amerykański Urząd Patentowy przesłał uczonym promesę przyznania patentu na to przełomowe rozwiązanie. Po spełnieniu wymogu formalnego ITME uzyska prawną ochronę wynalazku na amerykańskim rynku i będzie mogło czerpać zyski z osiągnięć naukowych badaczy. Podobne zgłoszenie złożone zostało także w Europejskim UP.
– Standardowe światłowody telekomunikacyjne wytwarzane są z dwóch rodzajów szkieł – wyjaśnia dr hab. inż. Ryszard Buczyński, kierownik Zakładu Szkieł w ITME. – Środek włókna nazywany rdzeniem jest wykonany ze szkła o wyższym, a zewnętrzna część włókna ze szkła o niższym współczynniku załamania światła. Właściwości transmisyjne i optyczne zależą głównie od rozmiarów geometrycznych rdzenia oraz składu chemicznego światłowodu. W naszym rozwiązaniu rdzeń jest nanostrukturą, która przypomina mozaikę złożoną z dwóch lub trzech rodzajów szklanych pręcików o średnicy kilkuset nanometrów. Ponieważ pręciki są dużo mniejsze od długości fali światła, nanostruktura działa jak mieszanka użytych szkieł o innych optycznych i fizycznych właściwościach, w wyniku czego uzyskujemy funkcjonalności nieosiągalne przez standardowe metody wytwarzania światłowodów.
Nowa jakość w światowej technice światłowodowej
Nanostrukturyzacja daje unikatowe możliwości modyfikowania i wpływania na właściwości włókien jedno- i kilkumodowych i stanowi zupełnie nową jakość w światowej technice światłowodowej. Uniwersalna technologia wytwarzania światłowodów o dużej swobodzie i precyzji kształtowania ich właściwości, pozwoli na szerokie spektrum ich zastosowań, m.in. w telekomunikacji, energetyce lub technice laserowej. Za pomocą jednego cienkiego włókna będzie można przesłać znacznie więcej informacji w tym samym czasie, zwiększając pasmo przenoszenia.
Takich właśnie światłowodów potrzebuje telekomunikacja. Obecnie stosowane jest powielanie długości fali, czyli tzw. multipleksja na długościach fal. Najnowsze trendy są jednak takie, żeby robić struktury, które pozwolą dodatkowo na powielanie modów, czyli przesyłanie wielu informacji na raz, na tej samej długości fali i w tej samej przestrzeni rdzenia.
– Mody to są takie paczki światła, które poruszają się z różną prędkością i w zasadzie nie oddziałują na siebie – informuje uczony. – W telekomunikacji zwykle nie stosuje się tego rodzaju powielania, bo jak wysyła się kilka sygnałów to one w rzeczywistości pod wpływem zaburzeń zewnętrznych i niedoskonałości światłowodów zaczynają się ze sobą mieszać i nie potrafimy ich rozróżnić. My szukamy takich rozwiązań, żeby przez to cieniutkie włókienko szklane przepuścić jak najwięcej informacji, a sygnały nie będą się ze sobą mieszać. W naszym laboratorium potwierdziliśmy technologicznie, że jesteśmy w stanie wykonać nanostruktury wewnątrz światłowodów o właściwościach oczekiwanych przez telekomunikację.
Gotowe prototypy i algorytmy
Badacze z ITME w ramach projektu TEAM-TECH przyznanego przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej wykonali już prototypy włókien i mają własne algorytmy do liczenia nanostruktur. Potwierdzili również, że technologia pozwala na wykonanie tych elementów.
– Nie trzymamy tylko jednego parametru tłumienia sygnału optycznego – przyznaje prof. Ryszard Buczyński – Do tego niezbędna jest bowiem najwyższa jakość szkieł, na które nas nie stać, lepsza czystość pomieszczeń oraz odpowiednia infrastruktura przemysłowa. Nasze badania są już tak zaawansowane, że możemy tę technologię przekazywać do producentów, aby przetestowali prototypy włókien na liniach pilotażowych i wykonali światłowody na wysokiej jakości szkła do użytku komercyjnego. Oprócz wykonywania samych światłowodów nanostrukturyzowanych mamy możliwość ich zastosowania do czujników wieloparametrycznych przeznaczonych do równoczesnego mierzenia różnych parametrów (m.in. temperatury, ciśnienia, nacisku, zgięcia) nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach.
Przed kilkoma miesiącami uczeni z Zakładu Szkieł wykonali również światłowód z nanostrukturyzowanym rdzeniem aktywnym do laserów światłowodowych. Zamierzają teraz podjąć współpracę z laboratoriami, które zajmują się laserami dużej mocy, żeby pobić rekord mocy lasera generowanej w pojedynczym światłowodzie jednomodowym.
– Dostaliśmy również grant z NCN na opracowanie koncepcji lasera światłowodowego, gdzie źródłem które produkuje światło będą modyfikowane genetycznie bakterie – kontynuuje uczony. – To są rzeczy bardzo ciekawe, ale nie wiadomo dokąd nas doprowadzą. To są badania podstawowe na styku istniejącej technologii oraz biologii i chemii. Sprawdzamy czy nowe barwniki fluorescencyjne chemiczne będą się nadawały do wykonania laserów. Ten projekt zaczęliśmy rok temu, a za dwa lata będziemy wiedzieli czy to się da zrobić. Podjęliśmy takie ryzyko, bo to jest wpisane w naszą działalność. Dla naukowców najważniejsze są poszukiwania rozwiązań, których jeszcze nikt nie wymyślił. Cała reszta związana z komercjalizacją takich rozwiązań powinna należeć do specjalistów, którzy taką technologię lub produkt wprowadzą na rynek.
Jadwiga Emilewicz, minister przedsiębiorczości i technologii 
Rozwój technologii światłowodowych ma ogromne znaczenia, ponieważ wpływa na wszystkie sfery życia i gospodarki. Bardzo nam zależy, żeby tworzyli je polscy uczeni, ponieważ mamy w kraju prężne ośrodki, które się tym zajmują. Jednym z najważniejszych jest ITME o kilkudziesięcioletnim doświadczeniu w tym zakresie. Zespoły uczonych pracują nad przełomowymi rozwiązaniami, które mogą nam zapewnić przewagę konkurencyjną w świecie. Każda opatentowana technologia światłowodowa to wielki atut dla Polski. Jesteśmy już na granicy ery 5G. Wszyscy idą w tę stronę i tworzą rozwiązania pod tę technologię. Dzięki kombinacji przesyłu danych za pomocą światłowodów, satelitów i fal radiowych prędkość przesyłu danych osiągnie niespotykane dziś rozmiary. We wszystkich kluczowych obszarach gospodarki technologie 5G mogą doprowadzić do rewolucyjnego przełomu. Rozwiniecie ich na europejskim rynku może skutkować przychodami w całej UE na poziomie 114 mld euro i doprowadzić do powstania 2,5 mln nowych miejsc pracy. Inwestując w światłowody, Polska może stać się również twórcą, a nie naśladowcą światowych trendów. Nowoczesne produkty światłowodowe, wytwarzane w naszym kraju, już unowocześniają niemal wszystkie kluczowe sektory i będą stanowić dźwignię całego polskiego przemysłu. Innowacyjne technologie światłowodowe umożliwiają urzeczywistnienie koncepcji Przemysłu 4.0 i przyspieszą rozwój Internetu Rzeczy, systemów CPS czy Big Data Center.
Jolanta Czudak
