Dla futurystycznych zastosowań takich jak “ubieralne” czujniki lub elektroniczna skóra potrzeba elastycznych połączeń do przenoszenia sygnałów i danych. O produkcji elastycznych obwodów drukowanych głośno było już kilka lat temu. Podobne prace w dziedzinie optyki pozostały jednak daleko w tyle. Teraz, naukowcy z Ghent University w Belgii zaprezentowali prototyp nie tylko giętkich, ale i rozciągliwych (do 30%) kabli światłowodowych z polidimetylosiloksanu (PDMS).
Światłowód to inaczej falowód optyczny o strukturze włóknistej, warstwowej lub paskowej, w którym odbywa się rozprzestrzenianie (propagacja) światła. Przenoszenie danych za pomocą światła działa na zasadzie zjawiska wielokrotnego, całkowitego, wewnętrznego odbicia. Jako źródło światła stosuje się laser półprzewodnikowy albo diody elektroluminescencyjne, które generują fale o typowej długości 850, 1300, 1310, 1550 nanometrów. Część światłowodu włóknistego prowadząca światło, to tak zwany rdzeń, charakteryzujący się największym współczynnikiem załamania światła w całej strukturze. Najczęściej wykonany jest on z domieszkowanego szkła. Przykrywa go płaszcz, również ze szkła, uniemożliwiający ucieczkę światła z rdzenia. Całość zamknięta jest w pokryciu ochronnym z polimeru, stanowiącym zabezpieczenie przed szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi, uszkodzeniami mechanicznymi oraz korozją szkła wynikającą z wpływu wilgoci. Poszczególne materiały dobrane są tak, aby współczynnik załamania światła był najmniejszy w warstwie zewnętrznej, co gwarantuje utrzymanie wiązki świetlnej wewnątrz światłowodu.
W standardowych, komunikacyjnych kablach włóknistych rozróżnia się struktury jednomodowe i wielomodowe. W światłowodach jednomodowych (z ang. single mode fibers, SMF) sygnał przesyłany jest przez rdzeń o średnicy od 8 do 10,5 mikrometrów, gdzie ulega tylko niewielkim zniekształceniom. Fala świetlna propagowana jest niemal równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie. Zaletą światłowodów jednomodowych jest możliwość transmisji danych bez bez wzmacniacza sygnału na odległość powyżej 100 km. Światłowody wielomodowe (z ang. multi mode fiber, MMF) charakteryzują się najczęściej średnicą rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. Wykorzystywane są najczęściej do komunikacji na krótkich odcinkach (np. w budynkach). Typowe ograniczenia prędkości transmisji i odległości wynoszą 100 Mbit/s na odległość do 2 km (100Base-FX), 1 Gbit/s do 1000 m oraz 10 Gbit/s do 550 m. W takich konstrukcjach następuje rozdzielenie fali wejściowej na wiele promieni o takiej samej długości fali, lecz propagowanych innymi kanałami. Występuje tam zjawisko zniekształcenia impulsu wyjściowego (rozmycia sygnału), co wpływa na zmniejszenie prędkości transmisji i odległości przesyłu. Jednomodowe światłowody są zatem lepsze w zachowaniu wierności każdego impulsu światła na większe odległości niż włókna wielomodowe. Ekonomiczniej jest jednak stosować konstrukcje wielomodowe, ponieważ stosunkowo duża średnica rdzenia upraszcza połączenia oraz pozwala na stosowanie tańszych podzespołów (diod LED zamiast laserów półprzewodnikowych).
Przedstawione wcześniej tradycyjne materiały do budowy światłowodów nie zapewniały odpowiedniej elastyczności oraz rozciągliwości do zastosowań w robotyce i automatyce, technologiach biomedycznych i elektronice użytkowej. Inżynierowie z Belgii do wykonania prototypowego falowodu optycznego wykorzystali elastyczny polidimetylosiloksan (z ang. polydimethylsiloxane, PDMS), polimer z grupy siloksanów. Jego łańcuch składa się z ułożonych na przemian atomów tlenu i krzemu, z podstawionymi dwiema grupami metylowymi przy atomach Si. PDMS jest optycznie przejrzysty w zakresie od 240 do 1100 nm, biokompatybilny, nietoksyczny i niepalny. Stosowany jest jako składnik olejów silikonowych oraz w produkcji soczewek kontaktowych, wyrobów medycznych, szamponów (błyszczące i śliskie włosy), żywności (środek przeciw pienieniu), mas uszczelniających i smarów.
Badacze z Ghent University wyprodukowali światłowód wielomodowy o długości 6 cm. Każdy z rdzeni posiadał średnicę 50 mikrometrów. Innowacyjny falowód składał się z dwóch wersji zmodyfikowanego domieszkami polimeru PDMS. Rdzenie o współczynniku załamania 1,57 i aperturze numerycznej 0,69 zostały pokryte płaszczem o niższym współczynniku załamania światła – 1,41. Różnica ta sprawiała, że powłoka zachowywała się niczym “lustro”, uniemożliwiając fali optycznej opuszczenie rdzenia. Źródłem fali o długości 850 nm był laser VCSEL (z ang. Vertical Cavity Surface Emitting Laser), a odbiornikiem fotodioda. Ze względu na integrację wszystkich komponentów w elastycznej matrycy PDMS, możliwe było określenie wpływu zginania i rozciągania na wydajność falowodu. Podczas prób rozciągania o 30% obserwowano tłumienność około 0,7 dB. Przy 7 mm promieniu gięcia zanotowano minimalne wartości tłumienia (maksimum 0,1 dB). Naukowcy nie dostrzegli degradacji połączenia po 80,000 cykli wydłużania materiału o 10%.
Twórcy światłowodów z PDMS widzą potencjalne zastosowania dla nowych łącz w sieciach czujników umieszczonych na ciele, ruchomych częściach robotów (np. kończynach) oraz w odkształcalnych gadżetach elektronicznych. Obecnie zespół pracuje nad zmniejszeniem średnicy rdzeni do kilku mikrometrów, co wymaga także przeprojektowania źródła i detektora światła.
Źródło:
[1] Jeroen Missinne, Sandeep Kalathimekkad, Bram Van Hoe, Erwin Bosman, Jan Vanfleteren, Geert Van Steenberge. Stretchable optical waveguides. Optics Express, 2014; 22 (4): 4168 DOI: 10.1364/OE.22.004168
[2] http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/newsreleases/2014/a_stretchable_highway_for_light/ [20.02.2014]
[3] http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-4-4168 [20.02.2014]
[4] http://www.opticsinfobase.org/oe/viewmedia.cfm?uri=oe-22-4-4168&seq=0 [20.02.2014]
[5] optic by Kainet, flickr.com, CC BY-SA 2.0