Świętowanie ustanowionego przez UNESCO Międzynarodowego Roku Światła zainaugurowano z przytupem w kolebce polskich światłowodów. Spośród zaprezentowanych w Brukseli kilkuset rozwiązań z zakresu m.in. medycyny, informatyki, chemii, inżynierii materiałowej, ochrony środowiska i bezpieczeństwa, to właśnie pomysł naukowców z UMCS wzbudził uznanie jury. To zresztą nie jeden, a kilka wynalazków, doskonale wpisujących się w wyznaczoną fotonice rolę kluczowego dla nauki i przemysłu kierunku rozwoju Unii Europejskiej. Akurat wtedy, gdy ogłaszano wiek XXI stuleciem fotoniki, w Lublinie postanowiono głębiej zainteresować się mikrostrukturalnymi światłowodami polimerowymi. Miały być jedynie epizodem, ledwie chwilową odskocznią od znanych już prawie na wylot włókien ze szkła krzemionkowego, które obok szkła organicznego, wieloskładnikowego, tlenkowego i nietlenkowego, służy za najpopularniejsze tworzywo konstrukcyjne. Stały się tymczasem kolejną wizytówką lubelskiego ośrodka, poza którym nikt w Polsce (a i na świecie tylko nieliczni) nie może się pochwalić podobnymi dokonaniami.

Syzyfowe prace

W awangardzie badacze z UMCS są zresztą nie od dziś. To przecież nigdzie indziej, jak na wschód od Wisły, przed czterema dekadami kładziono fundamenty krajowej optoelektroniki. Zalążkiem nowej ery była linia światłowodowa, łącząca dwie centrale oddalone od siebie o 2,5 kilometra, symbolem zaś – włókna nie grubsze niż pojedynczy włos. Dokładnie mające 125 mikrometrów, czyli 1/8 milimetra. Najnowsze osiągnięcie nie zwiastuje wprawdzie podobnej rewolucji telekomunikacyjnej, ale nie znaczy to, że minione lata poszły na marne. Przyniosły bowiem nie tylko nagrodę na niezwykle prestiżowej imprezie wystawienniczej, co już samo w sobie jest wymowne, ale przede wszystkim dały technologię wydajniejszą i jakościowo przewyższającą dotychczasowe. Medal w rękach chemików znalazł się więc nieprzypadkowo.

– Rzeczywiście, sam światłowód, a więc cienkie dielektryczne włókno wykonane przeważnie ze szkła, mogące transmitować fale elektromagnetyczne, w szczególności światło, na duże odległości z bardzo małymi stratami, ze względu na swoje właściwości jest strukturą stricte fizyczną – dr Paweł Mergo z Pracowni Technologii Światłowodów UMCS precyzyjnie definiuje rzecz trzymaną właśnie w ręku. – Lecz technologia jego wytwarzania to już czysta chemia – uściśla, dodając, że tak jak dla sportowca złoty medal jest ukoronowaniem wielomiesięcznych, żmudnych treningów, tak dla prowadzonego przez niego zespołu było to zwieńczenie trzyletnich prac realizowanych w ramach projektu „NanoMat – wykorzystanie nanotechnologii w nowoczesnych materiałach”, firmowanego przez Wrocławskie Centrum Badań EIT+. Powstała technologia, która znacznie ułatwia wytwarzanie włókien, a opracowana kompozycja polimerowa nadaje im bardzo dobre parametry optyczne. Same światłowody mikrostrukturalne znane są już od końca ubiegłego wieku, ale nie można powiedzieć, by technologia ich wytwarzania była bliska doskonałości. To w głównej mierze ogranicza jej wykorzystanie.

– Nasze światłowody z pewnością również nie są idealne, ale na pewno lepsze niż te obecnie używane. Paradoksalnie, mimo postępu w nauce, coraz wydajniejszego sprzętu, wysokiej jakości materiałów osiągnięcie to było o wiele trudniejsze do zrealizowania niż jeszcze kilkadziesiąt lat temu, a to z racji o wiele większych wymagań odbiorców. Nie da się już zawojować świata z byle jakim światłowodem. Dzisiaj musi on wnosić jakąś nową wartość, być lepszy od konkurencji – podkreśla z całą mocą kierownik lubelskiej pracowni.

W tworzeniu tej nowej jakości wydatnie pomagali badacze z Politechniki Wrocławskiej pod kierunkiem prof. Wacława Urbańczyka. Dopiero połączone siły obydwu ośrodków były w stanie przezwyciężyć technologiczne bariery. Z Dolnego Śląska płynęła teoretyczna i metrologiczna inspiracja, którą na VI piętrze Wydziału Chemii UMCS oblekano w namacalną strukturę. Tylko tu istnieje bowiem odpowiednia infrastruktura umożliwiająca wykonywanie zaawansowanych badań światłowodowych. Przy zetknięciu takich potencjałów nie mogło być już mowy o żadnych ograniczeniach. I rzeczywiście, otrzymano włókno charakteryzujące się dużą elastycznością i znacznie większym zakresem odkształceń niż światłowody krzemionkowe. O ile w tych klasycznych, zbudowanych z rdzenia o współczynniku załamania światła wyższym niż płaszcz, fala elektromagnetyczna prowadzona jest wskutek całkowitego wewnętrznego załamania światła, występującego na granicy tych ośrodków, o tyle w mikrostrukturalnych, zwanych inaczej fotonicznymi, mamy do czynienia z zazwyczaj jednym materiałem o stałym współczynniku załamania. Rdzeń otoczony jest tutaj mikrostrukturalnym płaszczem, czyli siecią powietrznych otworów, biegnących wzdłuż długości światłowodu. Ważny jest nie tylko ich układ geometryczny, ale również średnica, liczba i rozmieszczenie względem siebie. Kto choć raz próbował „ożywić” papierową teorię, wie, że przypomina to nierzadko pracę Syzyfa. Tym bardziej, jeśli parametry te mają decydować o późniejszych właściwościach włókna. Wewnętrzna mikrostruktura determinuje bowiem nie tylko sposób propagacji światła, ale pozwala też na dowolne jego kształtowanie wewnątrz światłowodu.

– Przykładowo, jeśli światłowód ma mieć większą dwójłomność, czyli zdolność do podwójnego załamywania światła, to otwory te powinny być dosyć małe i powinny leżeć w miarę blisko siebie. W najbardziej korzystnym układzie stała sieci, a więc odległość między środkami sąsiednich otworów, wynosi 3-5 mikrometrów. Żeby powstał światłowód dwójłomny, konieczne jest, aby przynajmniej dwa wewnętrzne otwory były większe od pozostałych. Ale jak zróżnicować ich wielkość w jednym włóknie? Rozwiązanie tego problemu to między innymi nasze know how – uchyla rąbka patentowej tajemnicy dr Mergo.

Od wiertarki po bęben

Mając do wyboru trzy – a na dobrą sprawę dwa, bo odlewanie w formie mało kto dziś stosuje – sposoby wytwarzania światłowodów, lubelscy naukowcy wybrali wiercenie. Można było, owszem, spróbować, tak jak przy najpowszechniejszych włóknach ze szkła krzemionkowego, metody składania, tyle że chodziło o lepszą jakość. A właśnie przy wierceniu szansa na uzyskanie produktu o mniejszym tłumieniu i bardziej jednorodnego niepomiernie wzrasta.

– Całość technologii polega na tym, że bierze się pręt i nawierca w nim sieć otworów. Brzmi to może i banalnie, ale zapewniam, że tak nie jest. Trzeba opracować cały proces wiercenia, dobrać specjalne wiertła, bo tymi z marketu, choć na początku próbowaliśmy i takimi, niewiele da się zrobić. Ostatecznie dostaliśmy wiertła na specjalne zamówienie.

Otwory są już gotowe, ale teraz trzeba zadbać o ich powierzchnię. Wygładzono je specjalnie do tego celu opracowaną metodą, bo dokładne wypolerowanie ma zapobiegać stratom mocy sygnału w światłowodzie. To kluczowy etap całego procesu. Później jest już prawie tak jak przy typowych światłowodach. A zatem wyciągarka, przypominająca wysoką na kilka metrów wieżę. Na jej szczycie – piec grafitowy, do którego wnętrza podawana jest preforma. Z niej wyciągane jest włókno o kontrolowanej grubości. Na końcu gotowy światłowód nawijany jest na bęben. Dla każdego z tworzonych włókien trzeba było stworzyć, a później zoptymalizować, osobną technologię, tak by efekt spełnił oczekiwania. W ramach projektu powstały bowiem nie tylko światłowody o wysokiej dwójłomności. Równolegle pracowano nad technologią światłowodów mikrostrukturalnych niedwójłomnych, klasycznych jedno– i kilkumodowych, ale również nad tym, w jaki sposób najlepiej je fotouczulić, aby móc modyfikować ich parametry, oraz jak do wnętrza światłowodu polimerowego wprowadzać elementy przewodzące prąd.

– W tym ostatnim przypadku powierzchnie otworów wewnętrznych pokrywaliśmy cienkimi warstwami srebra i palladu. Przydała się umiejętność syntezy własnych materiałów, bo im czystsze, tym końcowy efekt lepszy. Podniesieniu poziomu dwójłomności sprzyjało też wprowadzenie polistyrenowych domieszek, które zwiększały współczynnik rozszerzalności termicznej, indukując naprężenia wewnątrz włókna. Domieszkowanie następowało zarówno na etapie preformy, jak i w gotowym włóknie – opisuje rezultaty projektu kierownik Pracowni Technologii Światłowodów UMCS.

Więcej za mniej!

Nie pozostawia przy tym wątpliwości – polimerowe światłowody mikrostrukturalne dla telekomunikacji nie są specjalnie atrakcyjne. Ze swej istoty mają zbyt duże tłumienia, czyli straty sygnału – w klasycznych światłowodach osiągnięto już w zasadzie nie do pobicia teoretyczny limit 0,15 decybela na 1 kilometr – dlatego stosowanie ich na długich odcinkach mijałoby się z celem. Za to jako produkty biokompatybilne i odporne na czynniki środowiskowe, a przez jednolitość materiału, z którego są wykonane, mające dodatkowo zredukowaną czułość na temperaturę, sprawdzają się bez zarzutu chociażby w różnego rodzaju sensorach medycznych, diagnostyce czy czujnikach bezpieczeństwa. W tym kontekście można mówić o spektakularnym osiągnięciu.

– W światłowodach wytworzonych według naszej technologii możliwy jest także zapis siatek Bragga i siatek długookresowych do zastosowań metrologicznych – dodaje dr Paweł Mergo, a na drugim końcu Polski już rozglądają się za potencjalnym nabywcą tego wynalazku.

– W procesie komercjalizacji w przypadku tej technologii bierzemy pod uwagę dwie możliwości: udzielenie licencji lub utworzenie spółki celowej typu spin-off – zapowiada Klaudia Piątek z Wrocławskiego Centrum Badań EIT+, dodając jednocześnie, że zawsze istnieje również możliwość dalszego rozwoju wypracowanych rozwiązań poprzez kooperację z zainteresowanymi przedsiębiorstwami.

To przyszłość, ale w Lublinie nie zasypiają gruszek w popiele i myślą też o telekomunikacji, od której przecież wszystko się zaczęło. I tak jak wtedy przełomem stała się sama technologia światłowodowa, tak dziś nadzieją są włókna wielordzeniowe. Obecnie stosowane, jednordzeniowe, nie wytrzymują już naporu informacji, które mają się przez nie przetoczyć w określonej jednostce czasu. Skoro ta ilość ciągle się zwiększa, to czemu nie otworzyć dodatkowych bramek na światłowodowej autostradzie, zwiększając tym samym jej przepustowość? Pod czujnym okiem dr. Pawła Mergo trwają właśnie próby z włóknami dwu-, siedmio-, a nawet dziewiętnastordzeniowymi.

– Przy jednym rdzeniu przepustowość światłowodu wynosi mniej więcej 200 gigabitów na sekundę. Nie będzie oczywiście tak, że używając siedmiu rdzeni, tylekroć ją zwiększymy, ale sądzę, że prędzej czy później dojdziemy do 1 terabita. Oczywiście po to, żeby zmniejszyć koszty transmisji, a tym samym rachunki za Internet i telefon. W Danii już osiągnięto 255 gigabitów na sekundę, co jest na razie światowym rekordem.

Po to między innymi, by takie oryginalne pomysły nie zalegały głęboko w szufladach, ale mogły być realizowane, testowane, a przede wszystkim wdrażane, planuje się powołanie Lubelskiego Centrum Innowacyjnych Technologii Światłowodowych. Projekt już leży na biurku urzędników. Byłby to ośrodek badawczo-rozwojowy z nowoczesnymi laboratoriami, pracowniami, aparaturą, w którym zarówno młodzi pracownicy naukowi, jak i studenci mogliby dawać upust swojej wyobraźni. To właśnie stąd, niczym czterdzieści lat temu, płynąłby sygnał o innowacyjnych rozwiązaniach. Pole do popisu byłoby w zasadzie nieograniczone. Jeśli ta idea się ziści, można być pewnym, że kolejne złote medale są tylko kwestią czasu. 