W pogoni za informacją

Badania naukowe

W dobie społeczeństwa informacyjnego w żaden sposób nie uciekniemy od poszukiwań możliwie najskuteczniejszych środków transmisji danych. Jednym z nich, 
wyznaczających w tej chwili kierunki badań niezbędnych dla rozwoju telekomunikacji, są światłowody fotoniczne. Prace nad nimi trwają też w Lublinie.

Mariusz Karwowski

 Rozwój każdej dziedziny techniki jest uzależniony od osiągnięć w technologii wytwarzania odpowiednich elementów bazowych. Przykładem może być rozwój informatyki, niemożliwy bez produkcji ciągle udoskonalanych komputerów wykorzystujących elementy bazowe elektroniki, to znaczy obwody scalone mikroprocesory, pamięci itd.

Elementy bazowe mikroelektroniki stanowią też podstawę rozwoju telekomunikacji. Ale to nie wystarcza. Przesyłanie bardzo dużych ilości informacji na duże odległości nie jest możliwe bez wykorzystania światłowodów (i innych elementów bazowych optoelektroniki).
Pracownia Technologii Światłowodów UMCS to jedyne miejsce w Polsce, gdzie wytwarza się najnowsze rodzaje włókien optycznych ze szkła kwarcowego (a więc elementy bazowe optoelektroniki światłowodowej) oraz kształci studentów w zakresie technologii ich produkcji. Bez nich nie może być mowy o jakimkolwiek rozwoju transmisji danych. W Europie ośrodków tego typu jest zaledwie kilka, na świecie – kilkanaście. O miejscach takich, jak szóste piętro Wydziału Chemii UMCS, mówi się, że są nie do zastąpienia.

– Oczywiście, możliwe jest stworzenie drugiej takiej pracowni, ale potrzeba do tego niewyobrażalnych, jak na nasze warunki, pieniędzy. To koszt rzędu pięciu milionów dolarów oraz, co ważniejsze, zespół naukowców, których nie da się wykształcić w krótkim czasie. I trzeba liczyć się z tym, iż pieniądze nie zwrócą się szybko – przyznaje dr Jan Wójcik.
Lubelska pracownia odgrywa przez to dużą rolę, bo posiada odpowiedni potencjał, zarówno techniczny, jak i czysto ludzki. Ale wszystko, począwszy od opracowania linii technologicznych, poprzez stworzenie laboratorium pomiarowego, a skończywszy na zaangażowaniu najlepszych naukowców, trwało kilkadziesiąt lat. Mrówcza praca od podstaw opłacała się. Pracownia od jej powstania miała znaczący udział w stymulacji rozwoju techniki światłowodowej w Polsce. Tak jak kiedyś, tak i dziś, dzięki swym osiągnięciom, stawia Lublin w awangardzie ośrodków zajmujących się badaniami z tego zakresu.

SŁUSZNE PROGNOZY

To przecież nigdzie indziej, jak właśnie w Kozim Grodzie, powstały zręby polskiej technologii wytwarzania światłowodów o najwyższej jakości.

– Na swój sposób byliśmy pierwsi na świecie, bo nasza wersja tej metody różniła się nieco od amerykańskiej. Taka była konieczność, gdyż w latach siedemdziesiątych dopływ informacji zza oceanu był nader skąpy. Wiedzieliśmy, że miedziany kabel Amerykanom udało się zastąpić światłowodem tak przezroczystym, że światło płynęło w nim na znacznie większą odległość, że w kilku krajach zainstalowano pierwsze linie, ale już samą technologię, w dużej mierze, musieliśmy opracować sami – wspomina Jan Wójcik.

W latach 60. ubiegłego wieku słusznie prognozowano, że cywilizacja będzie ewoluować w kierunku społeczeństwa informacyjnego, a więc posiadającego wolny dostęp do informacji. Problem tkwił w szybkości ich przesyłania. Wiadomo było, że kable miedziane nie są wystarczające do tego, by obsługiwać kilka miliardów ludzi na całym świecie. Zaczęto więc poważnie zastanawiać się nad alternatywną drogą transmisji. Ponieważ znacznie lepszym przekaźnikiem informacji niż prąd jest światło, wybór był praktycznie jeden. Amerykanie postanowili przesyłać dane nie, jak dotychczas, w postaci impulsów elektrycznych, lecz jako impulsy świetlne. W zależności od treści przekazywanych informacji wiązka tego światła jest odpowiednio modulowana.
– Wiązka światła generowana jest przez diodę lub laser i przepuszczana przez szklane włókno. W tej chwili przeważają światłowody ze szkła kwarcowego, które mają zdecydowanie najmniejsze tłumienie i dużą wytrzymałość mechaniczną. Na końcu kabla impuls jest rozkodowywany i trafia do odbiorcy już jako właściwa informacja – tłumaczy dr Wójcik.

Był jeszcze jeden ważny aspekt rozpoczęcia prac nad światłowodami. Mianowicie, w odróżnieniu do kabli miedzianych, nie wytwarzają one pola elektromagnetycznego, co w praktyce uniemożliwia podsłuch transmisji. Gdy w 1970 roku w Stanach Zjednoczonych nowoczesnym światłowodem światło popłynęło nie, jak do tej pory, na kilka metrów, ale ponad kilometr, rozpoczął się prawdziwy wyścig w najlepszych laboratoriach świata. 

Pod koniec dekady włókno optyczne oraz kabel światłowodowy udało się stworzyć także w lubelskiej pracowni. Intensywne, a przy tym efektywne badania, prowadzone od połowy lat 70, zaowocowały światłowodem, który połączył dwie centrale telefoniczne z nieodległych dzielnic Lublina. Linia miała długość blisko 2,5 km.

– Najważniejszą częścią włókna optycznego jest rdzeń, znajdujący się pośrodku, a wykonany ze szkła kwarcowego, domieszkowanego tlenkami zwiększającymi współczynnik załamania światła. Równie istotny jest płaszcz, który z kolei robi się ze szkła kwarcowego o niższym współczynniku załamania światła. Dzięki temu jest swego rodzaju doskonałym lustrem, które kieruje promień bez żadnych strat światła do wnętrza rdzenia, formując przy tym falę optyczną. Podstawą działania światłowodu jest więc zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy płaszcza i rdzenia – mówi dr Wójcik.

Do celów telekomunikacyjnych wykorzystuje się dziś zaledwie kilka spośród kilkuset znanych typów włókien optycznych ze szkła kwarcowego. Ich roczna produkcja przekracza sto milionów km.

Światłowód holey fiber, średnica zewnętrzna  125 mikrometrów	Światłowód PCS, średnica zewnętrzna  340 mikrometrów, używany w medycznie.
Światłowód side-hole, średnica zewnętrzna  125 mikrometrów, może być użyty jako czujnik ciśnienia	Światłowód jednomodowy, używany  w telekomunikacjii średnica zewnętrzna  125 mikrometrów.
Przekroje świtłowodów wytwarzanych w PTŚ UMCS

MALUCH ZA ŚWIATŁOWÓD

Dzięki pracy lubelskiego zespołu Polska stała się siódmym krajem na świecie, w którym zaczęto eksploatować linie światłowodowe. Za tzw. żelazną kurtyną byliśmy za to liderem.
– Takie osiągnięcia potrzebne były naszym władzom do kształtowania wizerunku państwa przyjaznego nauce. Skorzystaliśmy na tym, bo niemal od ręki podjęto decyzję o budowie Fabryki Światłowodów. Otwarto ją w rekordowo szybkim czasie, już w 1983 roku. To był nasz niewątpliwy sukces, bo trzeba dodać, iż Pracownia nie tylko wdrożyła opracowaną technologię, lecz stanowiła również zaplecze naukowe dla fabryki.

Ten sukces miał też wymierne skutki, które tylko potwierdzały jego doniosłość. Nie każdy bowiem mógł w tamtych czasach otrzymać talon na malucha. A nasz rozmówca takowy otrzymał. Efekt prac naukowców z UMCS był ewenementem na skalę europejską. Wszystko, łącznie z liniami technologicznymi, maszynami, powstało w oparciu o polską myśl. Jeszcze w tym samym roku fabrykę opuściły pierwsze światłowody. Mimo, iż produkcja prowadzona była jedynie w oparciu o krajowe potrzeby, to i tak ułożenie z wytworzonych w niej światłowodów ponad 170 linii w ciągu niespełna dziesięciu lat, należy uznać za spore osiągnięcie.

Po zamknięciu fabryki Pracownia nie zaprzestała działalności. Badania podążały jednak coraz bardziej w kierunku światłowodów specjalnych. Niebawem okazało się, że obranie tej ścieżki było ze wszech miar dobrym posunięciem. Opracowano bowiem technologię pierwszych w świecie tzw. światłowodów side-hole, za które zresztą w 1998 roku przyznano tzw. Polskiego Nobla. Światłowody te zawierają po obu stronach rdzenia o eliptycznym kształcie dwa otwory, biegnące wzdłuż całej długości włókna ze szkła kwarcowego.

– Są to włókna o unikalnych właściwościach. Ich najważniejsza cechą, w odróżnieniu od innych znanych światłowodów, jest wielka wrażliwość na ciśnienie i bardzo mała na inne czynniki. Dlatego wykorzystywane są obecnie do budowy światłowodowych sensorów ciśnienia, a w przyszłości powstaną z nich, jak sądzę, materiały inteligentne. Niestety, nie ma jeszcze produkcji tych włókien. Przypuszczam, że lepsze i przydatniejsze mogą okazać się zrobione przez nas później światłowody hole-fibers, a więc fotoniczne – sugeruje dr Jan Wójcik z Pracowni Technologii Światłowodów UMCS.

APETYT NA INFORMACJĘ

Pierwsze światłowody tego typu powstały w Pracowni Technologii Światłowodów przed dwoma laty. W tej chwili ze środków Komitetu Badań Naukowych realizowany jest grant badawczy dotyczący technologii światłowodów mikrostrukturalnych, a więc m.in. fotonicznych.

Ich niezwykłe właściwości są efektem obecności wzdłuż włókna wielu otworów, ułożonych najczęściej względem siebie w określonym porządku. Wśród światłowodów fotonicznych można wyróżnić dwie grupy włókien. Jedna obejmuje światłowody działające na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia, a ich szczególne właściwości, w porównaniu ze zwykłymi włóknami optycznymi, wynikają z samej obecności w płaszczu wielu mikroskopijnych otworów i te nazywa się najczęściej hole-fibers.

Druga grupa to włókna działające na odmiennej zasadzie. Dzięki określonemu porządkowi we wzajemnym rozmieszczeniu setek mikroskopijnych otworków ciągnących się wzdłuż włókna powstaje tzw. fotoniczna przerwa zabroniona. To powoduje, że mechanizm prowadzenia światła w takim światłowodzie, w przeciwieństwie do standardowych włókien, nie polega na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. Światło nie może opuścić obszaru rdzenia dzięki istnieniu fotonicznej przerwy, zabronionej nawet, jeśli współczynnik załamania światła rdzenia jest mniejszy niż płaszcza. W skrajnym przypadku rdzeń może być nawet otworem pustym lub wypełnionym powietrzem. Wtedy światło prawie nie będzie tłumione, a impulsy świetlne niosące bity informacji nie będą się rozszerzały tak, jak w zwykłych światłowodach telekomunikacyjnych. Jak wynika z częściowo już opracowanej teorii propagacji światła w takich włóknach, będą one kilkaset razy lepsze od tradycyjnych, zarówno pod względem odległości transmisji, jak i szybkości przesyłania informacji. Nie udało się praktycznie sprawdzić tej teorii, bo nikt jeszcze nie wytworzył włókien z fotoniczną przerwą zabronioną z wymaganą precyzją i z odpowiednich materiałów.

– Technologia produkcji światłowodów fotonicznych rozwija się bardzo dynamicznie. I nie ma się czemu dziwić, wszak apetyty na informację rosną. Jeśli sprawdzą się w praktyce przewidywania teoretyczne, w niedalekiej przyszłości można spodziewać się ogromnej rewolucji w telekomunikacji– przypuszcza dr Wójcik.

O tym, że wspomniana rewolucja telekomunikacyjna jest nie tak wcale odległa w czasie, świadczyć mogą choćby przymiarki do uruchomienia telefonii trzeciej generacji, czyli tzw. UMTS. Jej prawidłowe funkcjonowanie jest uwarunkowane użyciem światłowodów właśnie typu hole-fibers. Niestety, w tej chwili koszt wytworzenia jednego kilometra takiego światłowodu ocenia się na kilka milionów USD. Dla porównania, taka sama długość zwykłego światłowodu nie przekracza stu dolarów.

Światłowody fotoniczne znajdą z pewnością zastosowanie w telekomunikacji, głównie do transmisji na krótkie odległości. Dlatego najpewniejsze do przewidzenia jest stosowanie obok siebie, niezależnie, dwóch rodzajów światłowodów: telekomunikacyjnych i fotonicznych.

Te drugie nie są wprawdzie oryginalnym polskim pomysłem, ale, jak przyznaje nasz rozmówca, mimo, że nie jesteśmy pierwsi, staramy się dopasować do poziomu światowego. I chyba się udaje, skoro Pracownia została zaproszona do współpracy z Uniwersytetem w Brukseli.

– Jeśli chodzi o granty, to tak się szczęśliwie składa, że zawsze, gdy wysyłaliśmy wnioski, rozpatrywano je pozytywnie i otrzymywaliśmy pieniądze. Jednak w tego typu badaniach, gdzie w grę wchodzą najwyższej klasy technologie, środków nigdy nie jest za dużo.

W PLANACH FABRYKA

W Pracowni, gdzie powstają nowe technologie, wiedzą o tym od dawna. Światłowody są kosztowne, bo wymagają zastosowania niezwykle precyzyjnych maszyn, dzięki którym możliwe będzie wykonanie tak mikroskopijnych produktów. Istotnym problemem, wymagającym poświęcenia sporych środków, jest też otrzymanie szkła bez żadnych zanieczyszczeń. Obecnie w prace nad światłowodami fotonicznymi zaangażowane są trzy zespoły. Przygotowywany jest też specjalny program badawczy, który być może zostanie sfinansowany z amerykańskiego offsetu.
– Chcemy wybudować fabrykę światłowodów specjalnych, w tym fotonicznych, która stanęłaby w Książpolu, niedaleko Biłgoraja. W założeniach to nie ma być ogromna fabryka, gdzie liczy się wydajność, lecz mały zakład, w którym transferowałoby się bezpośrednio wyniki badań z uczelni. Wychodziłyby z niego jedynie małe serie światłowodów, nie na skalę przemysłową – mówi dr Jan Wójcik.

Taka fabryka jest od dawna jego wielkim marzeniem. Nie mogąc odżałować zamknięcia poprzedniej, od blisko sześciu lat zabiega o wznowienie produkcji światłowodów. W tym czasie powstało już kilkanaście koncepcji fabryki, a nawet jej „komputerowy” wizerunek. Czy tym razem się uda?

– Mam nadzieję, że tak. We wstępnych wnioskach offsetowych, nasza fabryka dostała akceptację. Zaplecze badawcze już jest – zapewnia dr Wójcik.
Naukowcom pracującym przy opracowywaniu najnowszych technologii sen z powiek spędza w tej chwili fakt ponoszenia ogromnych kosztów związanych z badaniami i wdrożeniem światłowodów. Jedynym pocieszeniem może być to, że już niebawem stosowanie tego typu rozwiązań na skalę masową stanie się konieczne. A to oznacza, iż nastąpią lepsze czasy i dla badaczy i dla producentów i, przede wszystkim, dla nas, odbiorców, korzystających już teraz na co dzień z wielu urządzeń przesyłających informacje na odległość.

Komentarze