Światłowody i ich zastosowania 2015

Krajowe środowisko naukowo-techniczne fotoniki światłowodowej zbiera się obecnie raz na półtora roku na krajowym spotkaniu podsumowującym okresowe osiągnięcia technologiczne.

Cykliczne sympozjum odbywa się nieprzerwanie od roku 1976, gdy zostało zapoczątkowane przez prof.Adama Smolińskiego w Pałacu PAN w Jabłonnej. To ważne spotkanie gromadzi w zasadzie bez wyjątku wszystkie kluczowe osoby i ośrodki. Organizowane jest naprzemiennie przez dwa ośrodki technologiczne w Lublinie i Białymstoku. Artykuł jest przeglądem prac przedstawianych na XVI Krajowym Sympozjum Światłowody i ich ZastosowaniaSzesnaste z kolei sympozjum, zorganizowane przez Pracownię Technologii Światłowodów na Wydziale Chemii UMCS (dr Paweł Mergo) oraz Instytut Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Lubelskiej w Nałęczowie w dniach 22-25 września 2015 [1], zgromadziło ok. 120 uczestników którzy zaprezentowali 85 prac naukowo-technicznych. Sympozjum stanowi dobry portret rozwoju fotoniki światłowodowej w kraju. Tematyka Sympozjum obejmuje: materiały optyczne i fotoniczne, technologie światłowodów klasycznych, kształtowanych, nietelekomunikacyjnych oraz fotonicznych, zagadnienia propagacji światła, elementy światłowodowe bierne i aktywne, czujniki światłowodowe, pasywne i aktywne sieci światłowodowe, wzmacniacze i lasery światłowodowe, zagadnienia sieciowe – jak modulację, architekturę, itp. Sympozjum, sponsorowane częściowo przez Program POIG, zgromadziło reprezentantów wszystkich krajowych ośrodków uczelnianych i naukowo-technicznych działających w obszarze technologii i zastosowań fotoniki światłowodowej, w tym Politechniki: Białostocka, Lubelska, Śląska, AGH, Wrocławska, Poznańska, Warszawska, WAT; uniwersytety UMCS, Warszawski: JBRy: ITME, ITE, INOS, oraz firmy: Netsch, InterLab, Elmat, InPhoTech, oraz Nufern. Sympozjum było częścią krajowych i światowych obchodów Międzynarodowego Roku Światła 2015 [2].

W czasie Sympozjum obchodzono uroczyście 40-lecie rozwoju technologii i fotoniki światłowodowej w kraju [3-4]. Sesję jubileuszową poświęcono pamięci krajowych pionierów techniki światłowodowej, oraz początkowym pracom nad technologią światłowodów w kraju. Przypomniano pionierskie działania w drugiej połowie lat siedemdziesiątych w Ośrodkach Technologicznych w Lublinie (UMCS) i Warszawie (ONPMP), do których dołączył niedługo potem Białystok (Politechnika i Huta Szkła). Wspomniano z życzliwością kluczowe osoby tamtego okresu, a w szczególności pionierów krajowej techniki światłowodowej, których już z nami dzisiaj nie ma. Podkreślono rolę kilku pierwszych krajowych sympozjów techniki światłowodowej, które odegrały rolę integracyjną tworzącego się w kraju środowiska naukowego i technicznego tej dziedziny fotoniki. Wiele z ówczesnych działań technologicznych wyprzedzały swój czas. Materiały XVI Sympozjum Światłowody i Ich Zastosowania będą opublikowane tradycyjnie w międzynarodowej serii wydawniczej Proceedings of SPIE, [spie.org], [spiedigitallibrary.org], stanowiącej największy światowy zbiór prac z dziedziny optyki, optoelektroniki, fotoniki stosowanej, i indeksowanych w bazach danych Google Scholar, Thomson Reuters Web of Knowledge/Science oraz Elsevier Scopus [5-7].

Materiały światłowodowe, optyczne, fotoniczne, plazmoniczne, metamateriały

Badania nad optycznymi polimerami prowadzone są na UMCS dla celów wytwarzania niskostratnych światłowodów polimerowych pracujących w obszarze widzialnym oraz na pokrycia światłowodowe. Kierunki prac dotyczą nowych monomerów i polimerów pochodnych z grupy epoksy-, uretano-, i silikono-akrylanów, syntezy nowych monoakrylanów i diakrylanów.

Diakrylany są badane na twarde pokrycia światłowodowe o silnej adhezji do szkła, dużej wartości modułu Y, znacznej wytrzymałości na narażenia mechaniczne, termiczne i chemiczne. Materiały na światłowody polimerowe są tworzone z wykorzystaniem procesów syntezy monoestrów akrylowych na bazie chlorowcopochodnych fenolu. Porównywano metodami spektroskopowymi i termoanalitycznymi takie materiały jak PMMA oraz Zeonex należący do grupy poliolefinów. Do polimeryzacji stosowano optymalizowany piec UV z filtracją promieniowania IR.

Polimery domieszkowane barwnikami organicznymi są stosowane do budowy światłowodów luminescencyjnych (Pol. Białystok). Barwnikami takimi jak Perylen, Rodamina 6G i B domieszkowano PMMA. Z domieszkowanych materiałów wyciągano włókna światłowodowe i mierzono ich właściwości, w tym luminescencję.

W laboratorium szkieł ITME syntetyzowane są materiały na włókna optyczne. Analizowana jest zawartość tlenków metali ciężkich w czasie syntezy szkła wieloskładnikowego. W szczególności mierzono koncentrację tlenków bizmutu i ołowiu. Zmiany koncentracji tlenków wynikają z parowania składników w czasie topienia. Intensywność parowania zależy od procesu technologicznego, warunków topienia oraz rodzaju materiałów wyjściowych. W niektórych rodzajach szkieł światłowodowych tlenek ołowiu jest zastępowany tlenkiem bizmutu posiadającym także wysoki współczynnik załamania ale mniejszą toksyczność.

Szkła wieloskładnikowe pozwalają na budową stosownych materiałów dla optycznych włókien aktywnych. Zjawiska upkonwersji i luminescencji są badane w światłowodach z podwójnym płaszczem i niecentrycznym rdzeniem ze szkieł germanowych domieszkowanych podwójnym układem jonów ziem rzadkich Yb3+/Eu3+ and Yb3+/Tb3+ (Pol. Białystok). Światłowód pobudzano diodą laserową 980 nm i obserwowano pasma luminescencyjne dla długości fal w zakresie ok. 380 nm do ponad 700 nm, wynikające z przejść własnych i wzajemnych pomiędzy jonami. Badano natężenie luminescencji w zależności od koncentracji jonowej poszukując maksimów. Prace nad szkłami wieloskładnikowymi dotyczą także ciężkich szkieł IR przezroczystych poza granicą przezroczystości szkła krzemionkowego-bizmutowych i germanowych domieszkowanych jonami RE. Obserwuje się emisję w pasmach np. 2700 nm.

Zjawiska plazmoniczne w materiałach optycznych o rozmiarach ograniczonych kwantowo są wykorzystywane coraz powszechniej do badania subtelnych właściwości materiałów, ale także w perspektywie do budowy struktur aktywnych fotoniczno-plazmonicznych będących składnikami elementów przetwarzania fali optycznej dla celów transmisyjnych i czujnikowych.

Rozwiązania plazmoniczno-fotoniczne otwierają nowe możliwości alternatywnych metod przetwarzania transmitowanej optycznej informacji cyfrowej i akwizycji informacji analogowej poprzez modulację fali optycznej mierzonym sygnałem zewnętrznym mającym wpływ na warunki powierzchniowego rezonansu plazmonicznego. Rezonansem plazmonicznym zainteresowane są w kraju dwa rodzaje laboratoriów fotonicznych. Laboratoria optyki zintegrowanej planarnej badają powiązanie powierzchniowego rezonansu plazmonicznego z propagującą w optycznym falowodzie planarnym falą świetlną. Laboratoria inżynierii materiałowej opracowujące materiały dla fotoniki badają powiązanie objętościowego rezonansu plazmonicznego ograniczonego kwantowo za zjawiskami fotonicznymi w takich meta-materiałach i materiałach strukturalnych. Materiały strukturalne obejmujące meta-materiały i materiały fotoniczne różnią się wielkością wymiaru charakterystycznego.

Dla materiałów fotonicznych jest on współmierny w długością fali optycznej. Dla meta-materiałów jest on rzędu nm, czyli wielokrotnie mniejszy. Połączenie fotoniki i plazmoniki wymagać może w niedalekiej przyszłości budowy nowych grup materiałów łączących oba wymiary charakterystyczne w swojej meta-strukturze. Przykładem takich badań są prace nad półprzewodnikami organicznymi, potencjalnymi materiałami receptorowymi do detekcji gazów, kombopolimerami, graftpolimerami przewodzącymi prowadzone na Pol. Śląskiej. Materiały takie są nakładane na szkło i pokrywane nanometrową warstwą metalu szlachetnego. Prowadzona jest charakteryzacja takich planarnych struktur fotoniczno-plazmonicznych.

Prace w kraju nad syntezą materiałów dla techniki światłowodowej są prowadzone na UMCS w Lublinie, Politechnice Białostockiej, ITME i AGH. Stosowane metody to topienie surowców i przechłodzenie stopu, CVD, zol-żel, oraz separacja fazowa. Badane są charakterystyki temperaturowe, spektralno-transmisyjne, dyspersyjne, refrakcyjne i mechaniczne syntetyzowanych szkieł. Szkła domieszkowane są pierwiastkami ziem rzadkich.

Światłowody, fotoniczne elementy funkcjonalne i czujniki światłowodowe

Prace technologiczne nie tylko nad materiałami ale także nad światłowodami nietelekomunikacyjnymi są prowadzone od kilkudziesięciu lat w kraju w trzech ośrodkach technologicznych w ITME, UMCS i Pol. Białostockiej. W tym okresie czasu opracowano technologię dziesiątek różnych rozwiązań konstrukcyjnych włókien optycznych specjalnych.

Wśród ważniejszych rodzajów można wymienić światłowody włókniste: o niecentrycznym rdzeniu, helikalnym rdzeniu, podwójnym płaszczu, złożone refrakcyjnie, o niekołowych rdzeniach, wielordzeniowe, polaryzujące, polaryzacyjne, klasyczne i mikrostrukturalne. Materiałami stosowanymi do wytwarzania tych światłowodów były: szkło krzemionkowe i/lub wysokokrzemionkowe, szkła wieloskładnikowe, szkła nie tlenkowe, oraz polimery. Światłowody te przeznaczone do budowy fotonicznych elementów funkcjonalnych, czujników, lokalnych sieci dostępowych, są dostępne w ilościach laboratoryjnych do badań.

Jednym z fundamentalnych elementów światłowodowych są sprzęgacze i dzielniki mocy, rozgałęziacze i sumatory. Bez sprzęgaczy i dzielników nie można zbudować ani sieci światłowodowej, ani dołączyć do linii transmisyjnej źródła sygnału efektywnego czy pompy optycznej. Sprawne, niskostratne dzielniki mocy optycznej są stosowane w sieciach dostępowych różnego rodzaju, w tym w popularnych sieciach abonenckich FTTH w celu rozgałęzienia sieci i doprowadzenia sygnału do wielu abonentów. Rozgałęziacze wykonuje się różnymi metodami na dwustożkowym odcinku światłowodu gdzie stożek wejściowy pobudza wiele sprzężonych stożków wyjściowych, a także stosując rozgałęziony układ światłowodów planarnych. Inne rozwiązania są także możliwe, np. w rozszerzoną wiązką światła, a także niestandardowe metody ze światłowodem wielordzeniowym (WAT, InPho-Tech, PCFiŚ, UMCS). Kryterium efektywności podziału mocy optycznej jest jednorodności dzielnika i straty wtrącenia takiego elementu fotonicznego.

Mikrownęki Fabry-Perota tworzone pomiędzy czołami światłowodów lub w inny podobny sposób są wysoce kompatybilne z włóknami, i stąd są chętnie stosowane w układach światłowodowych do celów kształtowania fali optycznej. Wytwarzanie etalonów F-P jest wykonywane poprzez napylanie, osadzanie cienkich warstw metodami CVD, ALD i innymi z takich materiałów jak diament, tlenek cynku. Światłowodowe interferometry F-P jednownękowe i wielownękowe są analizowane i praktycznie wykorzystywane do budowy czujników fotonicznych na Pol.Gdańskiej. Interferometr wielownękowy, trudniejszy do analizy, służy do jednoczesnego pomiaru wielu wielkości np. refrakcji i temperatury.

Mikrozgięcia są wykorzystywane w światłowodach klasycznych do budowy czujników wielkości mechanicznych i termicznych. Czujniki te należą do klasy amplitudowych z modulacją natężenia światła. Włókno współpracuje z przetwornikiem mikrozgięciowym lub/i zgięciowym. Innym rozwiązaniem jest technologiczne wprowadzenie do światłowodu polimerowego mikrozgięć. Oddziaływanie zewnętrzne zmienia warunki propagacji w takim światłowodzie. Czujnik jest testowany w IF PW w celu zastosowania w technice lotniczej do integracji w materiałach kompozytowych.

Dwadzieścia lat prac badawczych i rozwojowych nad światłowodami mikrostrukturalnymi doprowadziło do powstania zróżnicowanej gamy mniej lub bardziej praktycznych struktur. Światłowody mikrostrukturalne mogą być optyczne, podobne propagacyjnie do klasycznych lub fotoniczne, z fotoniczną przerwą zabronioną. Wiele charakterystyk światłowodów mikrostrukturalnych jest odmienna od światłowodów klasycznych, w tym dyspersyjne, polaryzacyjne i nieliniowości. Pozwala to na odmienny sposób przetwarzania fali optycznej transmitowanej w światłowodzie mikrostrukturalnym, a w tym generację superkontinuum w bardzo szerokim zakresie spektralnym, translację superkontinuum w inny obszar spektralny np. VIS, IR i THz, transmisję jednomodową dla szerokich warunków pracy światłowodu. Światłodowy podobnie do ich klasycznych partnerów mogą posiadać makrostrukturę dwójłomną np. bow-tie lub Panda, oraz inne struktury optymalizowane do funkcji czujnikowych. Prace nad światłowodami mikrostrukturalnymi technologiczne i rozwojowe są prowadzone na UMCS, WAT, Pol.Wrocławskiej, PW, PB.

Światłowody mikrostrukturalne, a także wytwarzane z metamateriałów są przedmiotem badań w obszarze elektronowych i fononowych zjawisk kolektywnych, plazmonicznych, polarytonowych, polaronowych, indukowanej przezroczystości, generacji gigantycznej dyspersji, szybkiej i znacznej modulacji refrakcji, spowolnienie biegu światła aż do zatrzymania, małej prędkości grupowej (wolne światło), superluminalna propagacja impulsu. Światłowód mikrostrukturalny rzadki wypełniany różnymi substancjami wykazującymi aktywność optyczną, w szczególności gazami i cieczami, daje kolejne możliwości badania subtelnego nieliniowego oddziaływania światła i materii. Prace nad światłowodową optyką atomową są prowadzone na IF UJ.

Fotoniczne światowody kapilarne są przedmiotem symulacji i analiz numerycznych na PWr. Zalety tych światłowodów to transmisja dużych mocy optycznych, przezroczystość poza oknem krzemionkowym, wysoka liniowość. Wadą są znaczne straty wynikłe ze sprzęgania mocy do modów powierzchniowych oraz rozpraszanie na nieidealności strukturalnej.

Optymalizacja polega na obliczeniach struktury, np. kształtu rdzenia powietrznego, minimalizującej straty, maksymalizującej pasmo transmisji, itp. Badany jest wpływ zniekształceń zapobiegających sprzęganiu do modów powierzchniowych na polaryzację fali.

Światłowód wielomodowy o wymuszonej jednomodowości przy pomocy zintegrowanego z włóknem filtru modów wyższych rzędów, jest stosowany w budowie światłowodowych źródeł światła o dużej mocy. Włókno takie charakteryzuje się znaczną średnicą modu podstawowego. Zaproponowano konstrukcję takiego włókna mikrostrukturalnego o powójnej stałej sieci (InPhoTech, UMCS, WF PW). Przy pomocy wygięcia włókna usuwano mody wyższych rzędów. Efektywna powierzchnia modu zwiększała się o rząd wielkości, do ułamka mm2.

Szczególne miejsce w budowie elementów funkcjonalnych fotoniki światłowodowej zajmują włókna optyczne z zapisanymi różnymi rodzajami siatek Bragga. Mogą to byś siatki wąskopasmowe lub szerokopasmowe, o kształtowanych charakterystykach spektralnych, pojedyncze, jednorodne, modulowane, wielokrotne, sprzężone, skorelowane. Światłowody siatkowe są wykorzystywane do budowy filtrów optycznych, cyrkulatorów światłowodowychF0oc, oraz stanowią szeroką platformę do budowy wielu czujników. Najczęstsze zastosowania to budowa punktowych, wielopunktowych i rozłożonych sieciowych systemów pomiarowych wielkości termicznych i mechanicznych, szczególnie pomiarów rozróżniających. Prace nad światłowodowymi siatkami Bragga są prowadzone na PWr, PW, WAT.

Praktyczne zastosowania światłowodów mikrostrukturalnych wymagają opanowania technologii ich łączenia ze światłowodami klasycznymi dostarczającymi użyteczny sygnał optyczny. Światłowód mikrostrukturalny może być łączony bezpośrednio ze źródłem światła, jednak częstszym przypadkiem jego zastosowania jest funkcja poza długodystansową transmisją sygnału. Sprzężenie powinno być niskostratne, stąd światłowód mikrostrukturalny może podlegać obróbce technologicznej, termicznej polegającej na utworzeniu części z kolapsem mikrootworów. Prace nad optymalizacją heterogenicznego sprzężenia włókien optycznych są prowadzone w InPhoTech i PCFiŚ.

Odrębny nurt prac modelowania numerycznego w zakresie fotoniki światłowodowej jest związany z mikrostrukturalnymi światłowodami polimerowymi. Znaczna rozmaitość materiałów o zmiennych parametrach, wielka rozmaitość struktur możliwa do modelowania przy pomocy polimeru stanowi wyzwanie dla poszukiwania nowych właściwości takich struktur. W szczególności poszukiwane są struktury immunizowane na określone oddziaływania zewnętrzne a maksymalizowane na oddziaływania inne – będące przedmiotem pomiarów.

Budowane są światłowodowe sieci heterogeniczne zawierające światłowody klasyczne ze szkła krzemionkowego oraz światłowody polimerowe. Kluczowym zagadnieniem jest umiejętność nisko stratnego trwałego łączenia obu zupełnie odmiennych rodzajów światłowodów. Spawanie nie wchodzi w rachubę ze względu na różne właściwości termiczne szkieł i polimerów. Na WAT zaproponowano falowodowe mikromostki polimerowe łączące oba rodzaje światłowodów. Mikromostki są wytwarzane metodą fotopolimeryzacji z materiałów trzyskładnikowych. Mikromostek jest przedłużeniem rdzeni obu łączonych światłowodów. Wzrost mikromostka poprzez fotopolimeryzację jest precyzyjnie kontrolowany światłem laserowym propagowanym w rdzeniu światłowodu. Inną testowaną metodą połączeń światłowodów wielomodowych krzemionkowych i polimerowych oraz samych polimerowych jest klejenie (WAT).

Światłowodowe czujniki prądu, są budowane ze szkła o dużej wartości stałej Verdeta, do pomiaru wykorzystują zjawisko Faradaya. Konstruowane są czujniki w układzie optoelektronicznego przekładnika prądowego dla stałych pól magnetycznych. Podstawowe właściwości czujnika to czułość, oraz długoterminowa stabilność parametrów. Prace są prowadzone na Pol. Śląskiej.

Czujniki światłowodowe zarówno włókniste jak i planarne wykorzystują zjawisko interferencji wielomodowej. Oddziaływanie zewnętrzne na czujnikową sekcję światłowodu zmienia warunki propagacji, rozkład mocy optycznej i w konsekwencji obraz interferencyjny. W odcinku czujnikowym światłowód posiada pokrycie czułe np. refrakcyjnie (spektralnie, polaryzacyjnie) na oddziaływanie zewnętrzne. Czułość struktury jest zwiększana poprzez sytuowanie maksimum pola optycznego w pobliżu płaszcza.

Optoelektroniczne czujniki spektroskopowe gazów NDIR w zastosowaniach przemysłowych pracują w zmiennych warunkach np. termicznych. Tworzone jest oprogramowanie w domenie sztucznych sieci neuronowych, wykorzystujące model czujnika do kompensacji jego nieliniowości i zmiennych warunków pracy. Wyniki są stosowane do fuzji wielu czujników przemysłowych.

Optyczne mikroelementy funkcjonalne są budowane z fotonicznych światłowodów ciekłokrystalicznych. W celu wypełniania swoich funkcji takie światłowody muszą być przestrajane polem elektrycznym. Istotnym zagadnieniem konstrukcyjnym jest rozmieszczenie elektrod na włóknie optycznym. Zaawansowane prace nad światłowodami ciekłokrystalicznymi są prowadzone na WF PW. Dowolne sterowanie polem elektrycznym zapewniają układy wieloelektrodowe. Szybkość przestrajania zależy od parametrów elektrycznych elektrod, a w szczególności od stałej RLC. Wartość i jednorodność pola elektrycznego ma wpływ na jakość modulacji.

Światłowody fotoniczne impregnowane płynami organicznymi są modelowane pod względem charakterystyk dyspersyjnych na WF PW, WF UW, ITME. Poszukiwane są kombinacje i połączenia bardzo dużej nieliniowości nowych struktur z możliwością przestrajania wartości zerowej dyspersji w oczekiwany obszar spektralny. Światłowody wytwarzano ze szkieł wieloskładnikowych wysokorefrakcyjnych i nieliniowych, metodą składania z prętów i rurek, i wyciągania złożonych struktur.

Charakterystyki nieliniowych światłowodów fotonicznych silnie zależą od temperatury. Szerokopasmowe pomiary (w całym zakresie przezroczystości włókna) zależności termicznej dyspersji w układzie interferometrycznym M-Z wykonywano na WF UW dla kilku rodzajów światłowodów. Zakres mierzonych temperatur był 20-800^oC. Znaczne zmiany dyspersji obserwowano we włóknie ze szkła Pb-Bi-Ga o heksagonalnej strukturze siatki rdzeniowej o współistniejących dwóch wymiarach charakterystycznych. Obserwowano przesunięcie zera dyspersji o kilkadziesiąt nm w zakresie ok. 1400 nm i zmianie temperatur o 400^oC. Znaczna zmiana dyspersji wynika z dużej wartości współczynnika rozszerzalności termicznej szkła wieloskładnikowego i dużej dyspersji termicznej refrakcji. Badania mają na celu poznanie właściwości nieliniowych światłowodów fotonicznych z ciężkich szkieł tlenkowych.

Czujniki światłowodowe są stosowane także w agresywnych warunkach środowiskowych np. w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, itp. Warunki takie to wysoka temperatura, gwałtowne zmiany temperatury, drgania, narażenia mechaniczne, niekorzystne warunki chemiczne powodujące korozję, itp. W takich przypadkach włókno światłowodowe musi być dodatkowo zabezpieczone szczelnym pokryciem np. metalicznym. Stosuje się pokrycia z metali szlachetnych np. Au ale także Ni. Technologia pokrywania musi zapewnić jednorodne i szczelne warstwy odporne na pękanie i o dostatecznie silnej adhezji do szkła. Prace nad pokryciami przemysłowymi dla pracy w trudnych warunkach w tym w temperaturze powyżej 300^oC są prowadzone w InPhoTech we współpracy z PCFiŚ oraz Ciemat. Niezawodne pokrycie wysoktemperaturowe światłowodu wymaga zastosowania co najmniej dwuwarstwowej struktury metalicznej. Na warstwę miedzi nakłada się warstwę zabezpieczającą przed utlenianiem z metalu szlachetnego.

Na bazie światłowodu planarnego zbudowano fotoniczny czujnik amoniaku (Pol. Śląska). W światłowodzie planarnym rozprzestrzeniała się fala wielomodowa a wykorzystanym mechanizmem pomiarowym była spektroskopia optycznej fali zanikającej. Światłowód planarny wytwarzano na podłożu szklanym Pyrex metodami zol-żel i wymiany jonowej Ag-Na.

Na powierzchni szkła wytwarzano metodą zol-żel krzemionkową warstwę porowatą i światłowód paskowy. Warstwa jest impregnowana purpurą bromokrezolową, substancją czułą na pary amoniaku. Czujnik jest pobudzany DEL 593 nm.

Testowany jest światłowodowy czujnik CO₂ w InPhoTech i firmie IPT. Czujnikowy odcinek światłowodu jest pokryty aktywnym żelem silikonowym domieszkownym barwnikiem, takim jak błękit tymolowy, czerwień fenolowa lub metylowa. Płaszcz zmienia tłumienność włókna wraz ze stężeniem gazu. Optymalizacja czujnika do konkretnego zastosowania polega na wyborze długości obszaru czynnego, kształtu obszaru czynnego – np. stożek. Prowadzone są badania aplikacyjne czujnika.

Światłowody wielordzeniowe [9-10] są obecnie wykorzystywane nie tylko do budowy czujników ale także do długodystansowej niskostratnej, wielokanałowej transmisji sygnałów. Pojedyncze włókno optyczne przenosi wówczas niezależne strumienie danych w każdym rdzeniu. Stosunek masy i objętości włókna do szybkości transmisji jest korzystna. Tą cechę transmisyjnych światłowodów wielordzeniowych próbuje się wykorzystać w zastosowaniach satelitarnych, gdzie istotna jest całkowita masa oprzyrządowania instrumentalnego. Zastosowania satelitarne wymagają dodatkowo immunizowania światłowodów na jonizujące składniki promieniowania kosmicznego. Prace nad zastosowaniem światłowodów wielordzeniowych w pokładowych systemach satelitarnych są prowadzone w ramach projektu Beacon (PW, UMCS, WAT, InPhoTech). Światłowody wielordzeniowe pozwalają także na technikę transmisji ze zwielokrotnieniem międzyrdzeniowym. Przy dostatecznie silnie sprzężonych rdzeniach, światłowód wielordzeniowy propaguje supermod. Rdzenie słabo sprzężone lub nie sprzężone pozwalają na konstrukcję sumatora i dzielnika mocy optycznej. Interferencję supermodów w światłowodzie wielordzeniowym bada się pod względem zastosowań czujnikowych.

Światłowody planarne o optymalizowanej konstrukcji mogą prowadzić całe spektrum widzialne 400-700 nm wyłącznie w postaci modów poprzecznych TE i TM. Interferencję spektralno-polarymetryczną w polimerowych światłowodach planarnych wykorzystano do budowy ultraczułych czujników temperatury (Pol.Śląska). Parametrami czujnikowego odcinka światłowodu są: długość falowodu, długość drogi optycznej, różnica efektywnych stałych propagacji, długość fali. Rozkład widmowy fali na wyjściu układu pomiarowego zależy od parametrów optycznych układu i od temperatury. Przy okazji wyznaczane są stałe optyczne polimeru z którego wykonany jest światłowód.

Światłowody planarne są stosowane już obecnie do budowy zaawansowanych komercyjnych czujników wielkości chemicznych, a szczególnie biochemicznych. Prace rozwojowe nad takimi czujnikami np. wytwarzanymi na szkle krzemionkowym domieszkowanym tytanem i wytwarzanym metodą zol-żel, są prowadzone na Pol.Śląskiej. Najczęściej wykorzystywanymi mechanizmami pomiarowym jest spektroskopia pola zanikającego oraz interferometria. Czułość pomiarowa dla techniki pola zanikającego zależy od kontrastu refrakcji.

Znaczny kontrast jest przyczyną powstania znacznego gradientu pola optycznego i jego wnikanie w obszar pomiarowy. Falowody zol-żel charakteryzują się dobrą jednorodnością optyczną, niewielką tłumiennością, stabilnością. Zmieniane parametry technologiczne czujnika to: jakość powierzchni optycznej, grubość warstwy falowodowej, refrakcja odniesienia. Sprzęganie fali optycznej do czujnika planarnego odbywa się poprzez siatkowe sekcje Bragga.

Światłowodowe siatki Bragga wykorzystano do budowy szeregu urządzań pomiarowych wielkości mechanicznych i termicznych (Pol. Lublin). Prowadzono badania nad integracją czujnika światłowodowego z obciążanymi belkami mechanicznymi. Światłowodowe czujniki Bragga zastosowano do pomiarów właściwości mechanicznych spawów części stalowych. Integracja czujników z infrastrukturą mechaniczną daje nadzieję na budowę wbudowanych systemów diagnostycznych.

Światłowodowy interferometr Macha-Zehndera zastosowano do budowy bezkontaktowego układu pomiarowego grubości soczewek optycznych (InPhoTech). Układ stanowi alternatywę do rozwiązań klasycznych stosujących elipsometrię, interferometrię objętościową, pomiary ATR, maszynę współrzędnościową, itp. Niedokładność pomiaru wynosi 10μm.

Interferometry światłowodowe dwumodowe posiadają szereg zalet nad światłowodowymi interferometrami dwuramiennymi. Podstawową zaletą jest zredukowany wpływ warunków zewnętrznych na pracę czujnika oraz uproszczona, kompaktowa struktura. Zastosowanie światłowodów fotonicznych w takich interferometrach do budowy czujników jest badane w kilku ośrodkach w kraju w tym na Pol.Lubelskiej. Architektury czujników wykorzystują: interferometr M-Z, Sagnaca, światłowodowe struktury stożkowe, siatki Bragga, siatki długookresowe, lokalne modyfikacje struktury światłowodu mikrostrukturalnego. Miniaturyzację czujnika dwumodowego uzyskano stosując mikrostrukturalny światłowód stożkowy. Badano właściwości metrologiczne interferometru w warunkach jednoczesnych narażeń termicznych i mechanicznych.

Rozwój budowy funkcjonalnych układów fotonicznych podąża kilkoma drogami. Fotoniczne układy zintegrowane są budowane analogicznie do układów elektronicznych LSI i VLSI. Układy takie muszą posiadać możliwość współpracy ze światłowodowymi liniami transmisyjnymi a także np. ze światłowodowymi czujnikami fotonicznymi. Układy wykorzystujące światłowody włóknowe muszą posiadać zdolność współpracy ze układami mikrooptyki. Budowane są także systemy hybrydowe łączące kilka różnych technologii fotonicznych. Dodatkowe elementy są integrowane bezpośrednio na światłowodzie planarnym lub włóknistym lub optycznie z nim sprzęgane w sposób jak najmniej stratny. Badania nad integracją mikroobiektów fotonicznych z włóknami światłowodowymi są prowadzona na Pol.Wrocławskiej. Jednym z wygodnych rozwiązań, ale nie obejmujących wszystkich możliwości technologicznych i funkcjonalnych, jest wytwarzanie trójwymiarowych struktur funkcjonalnych na czole lub na bocznej ściance światłowodu. Zaawansowane formy takich wielu struktur przyjmują formę „laboratorium na światłowodzie. Na czole światłowodu, techniką druku laserowego, wykonywano gradientowe warstwy antyrefleksyjne dopasowane do długości fali 1550nm. Funkcją warstwy jest minimalizacja odbicia Fresnela oraz nie zakłócanie kształtu wiązki światła opuszczającej światłowód. Technologia jest alternatywą do stosowania tzw. ćwierćfalówki. Gradientową mikrostrukturę fotoniczną na czole wyjściowym światłowodu można optymalizować pod względem szerokopasmowości.

Fotoniczne układy i systemy funkcjonalne

Coraz powszechniejsze zastosowanie diod elektroluminescencyjnych DEL w technice oświetleniowej: dróg i ulic, budynków i mieszkań, biur i zabudowanej przestrzeni publicznej, transportu publicznego, samochodów, itp. pozwala na ich dodatkowe wykorzystanie do transmisji danych. Techniki telekomunikacyjne z użyciem światła widzialnego VLC są intensywnie rozwijane na świecie, ale także prowadzone są eksperymenty laboratoryjne w kraju (IT, PW). Transmisja dwukierunkowa z zastosowaniem techniki VLC wymaga albo równoczesnego wykorzystania DEL także jako fotodiod, lub wbudowania fotodiod i kanału zwrotnego. Wykorzystanie DEL jako fotodiod upraszcza znacznie konstrukcję systemu VLC.

A światłowodowych systemach dostępowych FTTH ultraszerokie pasmo transmisyjne sieci transportowej jest dzielone na relatywnie wąskopasmowe (rzędu kilku Gbps) indywidualne pasma abonenckie. Takich pasm abonenckich powinno być jak najwięcej ze względu na efektywność pracy i koszty. Celowe jest zastosowanie technologii UDWDM i zmniejszenie standardowego odstępu międzykanałowego ITU ze 100 czy 50 GHz do wartości znacznie mniejszych, np. rzędu 10 GHz, a w praktyce do 12,5 GHz lub mniejszych. Testy systemu ultra-gęstego są prowadzone na Pol.Poznańskiej. Układ testowy wymaga posiadania wielofalowego źródła sygnału optycznego, realizowanego cykliczną metodą akustooptyczną, oraz dokładnych i stabilnych optycznych filtrów wąskopasmowych, realizowanych przy pomocy etalonów F-P, detekcji bezpośredniej lub koherentnej selekcji kanałów. Zastosowanie takiej technologii pozwala na budowę sieci pasywnych typu PON o bardzo dużej efektywności wykorzystania pasma a tym samym znacznej przepływności.

Filtry światłowodowe są budowane z odcinków siatek Bragga, siatek długookresowych, a także na światłowodach planarnych. Są wykorzystywane praktycznie w sieciach dostępowych w celu separacji sygnałów optycznych o różnym przeznaczeniu geograficznym czy funkcjonalnym. Blokowanie niektórych długości fali ma zastosowanie w sieciach abonenckich dostarczających sygnałów TRV, Internet i telefon. Natomiast rozdział geograficzny może w układzie z filtrami mieć charakter wybiórczy a nie rozgłoszeniowy. Sieć wymaga mniejszej mocy optycznej do rozprowadzenia sygnału. Testy z wykorzystaniem światłowodowych filtrów blokujących w paśmie 1550 nm na siatkach długookresowych są prowadzone w IMiO PW. Zagadnieniem ogólniejszym jest budowa nowych generacji optycznych sieci dostępowych.

Wielomodowe światłowodowe sieci lokalne przeżywają drugą młodość. Wielomodowe światłowody gradientowe są tanie, mają znacznie szersze pasmo transmisyjne niż kiedyś osiągając wartość ponad 5 GHz*km, są relatywnie łatwe do instalacji, montażu i sprzęgania z tanimi i szybkimi i łatwo dostępnymi wielomodowymi diodami wertykalnymi VECSEL. Diody mogą być modulowane z szybkością kilkudziesięciu Gbps co rozszerza pasmo spektralne. W takim wypadku głównym ograniczeniem transmisji staje się dyspersja chromatyczna i jej związek z dyspersją modową. Wielomodowość poprzeczna i podłużna laserów wertykalnych powoduje spektralną zależność sprzężenia lasera z włóknem wielomodowym. W IT PW prowadzone są prace nad optymalizacją wielomodowych łączy światłowodowych uwzględniając sprzężenie lasera z włóknem oraz częściową kompensację między dyspersją chromatyczną i modową.

Nurtem równoległym do prac rozwojowych nad czujnikami światłowodowymi są pilotowe prace wdrożeniowe, wymagające ciągle znacznych nakładów pracy badawczej. Tego typu prace są prowadzone w większości ośrodków na Politechnikach w kraju, które posiadają laboratoria fotoniki światłowodowej. W szczególności w takich pracach specjalizują się IMiO PW, WF PW, PWr, PB, ITME i inne. Na WF PW prowadzono prace dotyczące zastosowania światłowodowych systemów pomiarowych w kopalniach węgla (iskrobezpieczeństwo), technice kolejowej do badania jakości kół przejeżdżających pociągów, itp. Ostatnio dwa typy czujników światłowodowych – transmisyjny polarymetryczny i spektralny z siatką Bragga zastosowano do pomiaru dynamicznych naprężeń w goleni podwozia głównego samolotu AT-3. Istotnym zagadnieniem konstrukcyjnych związanym z integracją włókien światłowodowych w materiale kompozytowym jest różnica średnic włókien optycznego i polimerowego. Rozwiązaniem zaawansowanym jest zastosowanie subwymiarowych włókien optycznych lub umieszczenie ich kolinearnie ze strukturą kompozytu. Istnieje także możliwość, jednak mniej zaawansowana technologicznie, umieszczenia światłowodowej sieci pomiarowej na zewnątrz kompozytu.

Zainteresowanie badawcze i rozwojowe znajdują całkowicie światłowodowe źródła światła. Prace nad takimi źródłami są prowadzone w kilku ośrodkach krajowych: WAT, WF UW, PWr, PW, i innych. Są to źródła światła typu superkontinuum, ale także impulsowe o dużej energii impulsu ze światłowodową wnęką rezonansową. Normalna dyspersja wnęki zapewnia możliwość wzmocnienia i uzyskania dużej energii impulsu. Impuls jest kompresowany poza wnęką. Znaczna długość impulsu we wnęce minimalizuje zjawiska nieliniowe takie jak samomodulację fazową i wymuszone rozpraszanie Ramana.

Światłowody i ich zastosowanie 2015 i 2017

Sympozjum Światłowody i Ich Zastosowanie 2015 spełniło swoje zadanie jako cykliczne spotkanie krajowego środowiska fotoniki światłowodowej. Pokazało ewolucję której to środowisko obecnie podlega w intensywny sposób. Tradycyjnie dominantą były prace prowadzone w środowiskach akademickich i w instytutach JBR. Obecnie jednak zainteresowanie przesuwa się dość wyraźnie w kierunku rozwoju firm innowacyjnych. Kierunki prac prezentowanych na Krajowym Sympozjum Światłowodowym podążają w wielu obszarach za badaniami światowymi. Obszar klasycznej długodystansowej i ultraszerokopasmowej telekomunikacji jest reprezentowany minimalnie ze względu na dominację wielkiego przemysłu.

Z obszaru telekomunikacji rozwijana jest tematyka sieci dostępowych, optymalizowanych sieci wielomodowych, sieci nisko-kosztowych, sieci informatycznych, sieci specjalizowanych do konkretnych zastosowań np. w przemyśle i badaniach naukowych, itp. Znaczna ilość prac dotyczyła światłowodowych elementów funkcjonalnych oraz czujników oferowanych w nowych rozwiązaniach konstrukcyjnych i technologicznych. W zasadzie jest to obecnie główny nurt tematycznych tych konferencji. Utrzymują się także na niezłym poziomie prace technologiczne w trzech ośrodkach badawczych nad materiałami światłowodowymi posiadającymi urządzenia do wyciągania światłowodów: UMCS, Politechnika Białostocka oraz ITME. Do tej grupy dołączają firmy ogłaszające otwarcie krajowych oddziałów rozpoczynających produkcję światłowodów. Jest to obecnie nowa jakość której warto się przyglądać.

Produkcja włókien światłowodowych dla telekomunikacji była prowadzona w kraju jakiś czas temu w firmie założonej we współpracy UMCS, PL oraz OLPIT Lublin. Niestety firma została sprzedana i zakończyła działalność. Szkoda, bowiem wspierana przez środowisko akademickie i badawcze w kraju mogła produkować światłowody specjalne. Problemem związanym z otwarciem nowej produkcji są relatywnie niskie koszty klasycznych włókien telekomunikacyjnych. Jednak włókna specjalizowane utrzymują ciągle bardzo wysoką cenę.

Następne Sympozjum z cyklu Światłowody i Ich Zastosowanie będzie zorganizowane na przełomie stycznia i lutego 2017 r. w Białymstoku i Lipowym Moście, przez Laboratorium Technologii Światłowodów, Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej. W międzyczasie odbędą się konferencje krajowe które także zawierają tematykę fotoniki światłowodowej:

• Wilga 2016, Zastosowania Fotoniki i Inżynieria Internetu, edycja zimowa, WEiTI PW, 28-31 stycznia 2016;
• Optyka Zintegrowana – Struktury Czujnikowe, Czujniki i Metody, Szczyrk, marzec 2016;
• WILGA 2016 – Zastosowania Fotoniki i Inżynieria Internetu, Wilga, 21-29 maja 2016;
• COE 2016 – Czujniki Optyczne i Elektroniczne, Gdańsk, 19-22 czerwca 2016;
• ELTE 2016 – Technologia Elektronowa, Wisła, 14-16 września 2016
• STL 2016 – Krajowe Sympozjum Techniki Laserowej, Hel, wrzesień 2016;
• Światłowody i Ich Zastosowania 2017, Białystok i Lipowy Most, styczeń/luty 2017.

Światłowody i Ich Zastosowania, styczeń/luty 2017 jest następną edycją omawianego znakomitego cyklu konferencji, organizowanego od 40 lat w kraju. Jednakże, wymienione powyżej konferencje także posiadają bogate sesje poświęcone fotonice, w tym fotonice światłowodowej. Większość z tych konferencji także publikuje swoje materiały w serii wydawniczej Proc. SPIE [8].

Literatura:

[1] Strona internetowa XVI Sympozjum Światłowody i ich Zastosowania, Nałęczów 22-25 września 2015: http://opticalf.idl.pl/konferencje/tal-2015/

[2] Międzynarodowy Rok Światła, strona internetowa: http://www.light2015.org/Home.html

[3] R.S. Romaniuk, J. Dorosz, W. Wójcik, Cztery dekady rozwoju nauki i techniki światłowodowej w kraju – część 1, Elektronika, vol. 56, no. 7, 2015, str. 79–88, DOI: 10.15199/13.2015.7.17.

[4] R.S. Romaniuk, J. Dorosz, W. Wójcik, P. Mergo, R. Buczyński, Cztery dekady rozwoju nauki i techniki światłowodowej w kraju – część 2, Elektronika, vol. 56, no. 8, 2015, str. 54-63, doi: 10.15199/13.2015.8.14.

[5] R.S. Romaniuk, W. Wójcik (edit.), Optical Fibres and Their Applications 2015, Proc. SPIE; (in press) http://proceedings.spiedigitallibrary.org

[6] J. Dorosz, R.S. Romaniuk (edit.), Optical Fibres and Their Applications 2014, Proc. SPIE 9228; http://proceedings. spiedigitallibrary.org/volume.aspx?volumeid=16519; doi: 10.1117/12.2071145.

[7] R.S. Romaniuk, W. Wójcik (edit.), Optical Fibres and Their Applications 2012, Proc. SPIE 8698; http://proceedings.spiedigitallibrary.org/volume.aspx?volumeid=15607; doi: 10.1117/12.2020581.

[8] P. Szczepański, R. Kisiel, R.S. Romaniuk (editors), Electron Technology Conference 2013, Proc. SPIE 8902, http://proceedings.spiedigitallibrary.org/volume.aspx?volumeid=16037; doi: 10.1117/12.2033989.

[9] R.S. Romaniuk, J. Dorosz, Multicore single-mode soft-glass optical fibers, Optica Applicata, vol. 29, no. 1-2, 1999, pp.15-49.

[10] R.S. Romaniuk, Multicore optical fibers, Revue Roumaine de Physique, 1987.