ZESPÓŁ AUTORSKI

Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych

Prof. dr hab. inż. Ryszard Buczyński

mgr inż. Dariusz Pysz

dr inż. Marcin Franczyk

dr hab. Mariusz Klimczak

dr hab. inż. Rafał Kasztelanic

dr inż. Ryszard Stępień

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Wynalazek, będący przedmiotem zgłoszenia, to uniwersalna technologia nanostrukturyzacji rdzenia światłowodu, która jest technologią przełomową w kształtowaniu podstawowych właściwości światłowodów do zastosowań laserowych, czujnikowych i telekomunikacyjnych. Nanostrukturyzacja w odróżnieniu do standardowych światłowodów, pozwala na dowolne kształtowanie profilu współczynnika załamania światłowodu (ang. free-form structures), co jest nieosiągalne w dotychczasowych technologiach. Ponadto dzięki nanostrukturyzacji możemy łączyć wybrane cechy światłowodu, które są trudne lub wręcz niemożliwe do połączenia tradycyjnymi metodami. Na przykład możemy wytworzyć światłowód, który jest jednocześnie aktywny, fotoczuły i kompatybilny z systemami telekomunikacyjnymi. Metoda nanostrukturyzacji przełamuje ograniczenia dotychczasowych technologii i pozwala na wytwarzanie włókien optycznych o dowolnie kształtowanych własnościach poprzez zamierzone projektowanie i kontrolowanie składu chemicznego rdzenia światłowodu. Dotychczasowymi przykładami realizacji wynalazku są: a) światłowód o profilu trójkątnym o bardzo dużym polu modu pozwalający na budowę lasera światłowodowego wykraczającego poza dotychczasowe osiągnięcia; b) światłowód jednocześnie aktywny i fotoczuły do lasera światłowodowego z wbudowanym rezonatorem; c) światłowód z gradientowym profilem współczynnika załamania w pełni kompatybilny z systemami telekomunikacyjnymi o zwiększonym zakresie pracy jednomodowej.

ISTOTA WYNALAZKU

Światłowód to długi szklany walec o średnicy porównywalnej z ludzkim włosem wykorzystywana do propagacji światła. Standardowe włókno światłowodowe jest strukturą koncentryczną zbudowaną z rdzenia wykonanego z jednego rodzaju szkła (o wyższym współczynniku załamania światła, z krzemionki domieszkowanej germanem) i płaszcza z drugiego rodzaju szkła (o niższym współczynniku załamania, jest to czysta krzemionka). Na granicy pomiędzy dwoma rodzajami szkła dochodzi do odbicia fali świetlnej (dla telekomunikacji jest to 1.5 mikrometra) i w ten sposób światło jest propagowane na duże dystanse. Jest to możliwe m.in. dlatego że rozmiar rdzenia światłowodu jest o rząd wielkości większy od długości fali świetlnej. Natomiast wynalazek, który jest przedmiotem zgłoszenia, bazuje na takiej konstrukcji rdzenia, gdzie występuje wiele wyodrębnionych elementów szklanych, które są co najmniej 5-krotnie mniejsze niż długość fali światła, a więc o rozmiarach poniżej 300 nanometrów. Zgodnie z teorią efektywnego medium (model Maxwella-Garnetta) oznacza to, że dla fali świetlnej właściwości optyczne charakterystyczne dla poszczególnych elementów są uśredniane. W istocie chociaż struktura rdzenia stanowi swego rodzaju mozaikę zbudowaną z różnych nano-elementów szklanych, ułożonych w sposób zamierzony według projektowanego wzoru, to dla światła będzie to jednolita struktura o uśrednionych właściwościach wynikających z poszczególnych cech nano-elementów. Nano-elementy według wynalazku mogą być wykonane z: a) czystej krzemionki – jako baza oraz ośrodek szklany o najlepszej transmisji w zakresie podczerwieni, b) krzemionki domieszkowanej germanem – jako szkło o wyższym współczynniku załamania oraz szkło tzw. fotoczułe, umożliwiające wykonywanie standardowych filtrów optycznych oraz czujników np. temperatury, ciśnienia, odkształcenia, c) krzemionki domieszkowanej jonami ziem rzadkich (erb, iterb, holm, tul, prazeodym) – jako szkło aktywne do wymuszania akcji laserowej, d) krzemionki z innymi domieszkami nieaktywnymi lub innych rodzajów szkieł. Poprzez odpowiednie ułożenie nano-elementów można kształtować profil współczynnika załamania światłowodu, a także skład chemiczny światłowodu, które decydują o podstawowych właściwościach medium światłowodowego, takich jak dyspersja materiałowa i falowodowa, straty zgięciowe światłowodu, dwójłomność, czy charakterystyka modowa (stałe propagacji modów, kształt i wielkość pola modowego). Jak wyszczególniono powyżej, w światłowodach nanostrukturyzowanych możemy precyzyjnie kontrolować skład chemiczny rdzenia światłowodu poprzez użycie szkieł domieszkowanych różnymi pierwiastkami, również aktywnymi do zastosowania w laserach światłowodowych. Możemy tworzyć nanostruktury z wielu szkieł domieszkowanych różnymi pierwiastkami, których łączenie w sposób chemiczny jest niezwykle trudne lub wręcz niemożliwe przy użyciu dostępnych technologii. W ten sposób możemy otrzymywać materiały szklane o zupełnie nowych właściwościach. Zatem technologia światłowodów nanostrukturyzowanych ma charakter uniwersalny. Pozwala otrzymać dowolną strukturę światłowodową o wymaganych parametrach projektowych, często niemożliwą do uzyskania w przy użyciu obecnie wykorzystywanych technologii, która znajdzie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki oraz przemysłu. Nasz zespół jako pierwszy i jedyny na świecie wykonuje światłowody nanostrukturyzowane. Ostatnio ukazała się publikacja autorstwa naszego zespołu na ten temat w prestiżowym czasopiśmie z grupy Nature: A. Anuszkiewicz, et al. „Fused silica optical fibers with graded index nanostructured core”, Scientific Reports 8,12329(2018).

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

SBŁ-ITME posiada pełne prawa do zgłoszeń wynalazku. Wynalazek jest przedmiotem polskiego zgłoszenia P.419944 (zał. 1a). Wynalazek otrzymał patent europejski EP17208625.8 (zał. 1b) oraz patent amerykański US 10,132,993 B2 (zał. 1c). SBŁ-ITME posiada pełne know-how, wieloletnie doświadczenie oraz zaplecze naukowo-technologiczne do projektowania, wytwarzania i charakteryzacji nanostrukturyzowanych włókien światłowodowych, obejmujące m.in. oprogramowanie do projektowania i weryfikacji własności struktur, aparaturę do syntezy szkieł, wieże światłowodowe do wytwarzania struktur włóknistych. Posiadane zaplecze oraz wiedza pozwala na wytworzenie prototypów oraz krótkich serii komercyjnych. Technologia światłowodów nanostrukturyzowanych pozwala otrzymać dowolną strukturę światłowodową o wymaganych parametrach projektowych, a wymienione wcześniej produkty są jedynie częścią możliwych zastosowań. Zapotrzebowanie na świecie na światłowody różnego typu jest bardzo duże i gwałtownie rośnie.