Dansk gennembrud i fiberoptikDanske og engelske forskere har sammen bevist,

at optisk fiber med huller i kan transportere lys over lange afstande Af Jens Ramskov

ram@ing.dk Forskere på DTU har været med til at gøre det utænkelige. De har sammen med engelske kollegaer lavet en fiber, der kan holde lyset fast omkring et hul i midten af en tynd kvartstråd. Lyset løber derved i et område, der har lavere brydningsindeks end det omkringliggende materiale, som består af almindeligt kvarts.

Efter de simpleste regler for lysstrålers brydning vil dette være umuligt. Kort fortalt siger den simple teori, at lyset holdes sammen af det højere brydningsindeks og ikke af det lavere brydningsindeks. Teknikken består i at lave en periodisk struktur i fiberen med en dimension, der svarer til lysbølgelængden på omkring en mikrometer. Det ændrer verdenen dramatisk for fotoner, der vil løbe langs fiberen. Der opstår nemlig et fotonisk båndgab, dvs. et område hvor fotoner inden for et bestemt energiområde (eller bølgelængdeområde - idet energi og bølgelængde er omvendt proportionale) ikke kan udbrede sig. Strukturen dannes af små huller i fiberens kvartsmateriale. Sender man laser-lys ind mod fiberen med en bølgelængde i det forbudte område, kan det ikke transmitteres. Det vil blive reflekteret af overfladen. Humlen er nu at bryde den periodiske struktur ved at placere et ekstra hul i midten af fiberen. Nu kan lyset udbrede sig i og omkring hullet, men ikke andre steder. Lyset løber langs lufthullet, hvor bryd ningsindeks er 1 og ikke i kvartsmaterialet, hvor brydningsindeks er omkring 1,45. Keine hexe rei, nur behändigkeit! Men beregning af hvilke bølgelængder, der kan udbrede sig i fotoniske mikrostrukturer med en lille defekt, er ikke enkel at udføre. Og derved er det uhyre vanskeligt i praksis at designe en fiber med de rette dimensioner. Maxwells ligninger løser problemet

Den skotske videnskabsmand James Clerk Max well opstillede i 1873 sine fire berømte og smukke ligninger, der er rammerne for elektromagnetisme og derved lysets udbredelse. Teoretikerne inden for fiberoptik har hidtil kunnet leve med stærkt forsimplede udgaver af disse til deres beregninger, fordi forskellen mellem brydningsindeks i kernen og kappen i en sædvanlig fiber er meget lille - kun nogle få procent. Men i en fotonisk krystalstruktur gælder disse forenklinger ikke. Og det skulle være de danske specialister i Maxwells ligninger fra Institut for Elektromagnetiske Systemer på DTU, der måtte træde til for at løse de store beregningsproblemer. Det hele begyndte med, at civilingeniør Jes Broeng i 1996 gennemførte et eksamensprojekt med lektor, dr. techn. Anders Bjarklev som vejleder. Her blev grunden lagt til beregningsmodellen. Jes Broeng fortsatte arbejdet i efteråret 1996 som ph.d.-studerende, og i juni sidste år tog han til University of Bath på et halvt års studieophold. Med sig havde han sin computermodel og mange beregninger, og i England kunne han samarbejde med praktikere, der kunne fremstille og måle på de specielle fibre. Straks efter ankomsten gik Jes Broeng i gang med at fremstille sin fiber. Han samlede kapillær rør og tynde kvartsstænger til en krystallinsk preform. Den blev placeret i et traditionelt træktårn, som anvendes til trækning af sædvanlige fibre, hvor preformen er dannet ved at der i et enkelt kvartsrør aflejres forskellige typer glaslag. I modsætning til sædvanlige fibre fremstilles de nye fotoniske båndgabs-fibre alene af ren kvarts. I træktårnet føres preformen langsomt nedad mod en ovn, og en tynd tråd trækkes hurtigt. Forholdet mellem hastigheden, hvormed tråden trækkes, og hastigheden, hvormed preformen føres nedad, bestemmer forholdet mellem diameteren af den tynde tråd og preformen. Den færdige fiber er ligesom en traditionel fiber tyndere end et menneskehår, men indeholder 300-400 præcist kontrollerede luftkanaler indeni. De første eksemplarer af den nye fibertype blev straks analyseret og virkede fuldstændigt som forudsagt af modellen. - Jeg blev meget begejstret, da Jes ringede hjem nogle få uger efter, han var kommet til England og fortalte om de første forsøg. I min vildeste fantasi havde jeg ikke forudset så hurtigt og så godt et resultat, siger Anders Bjarklev. Resultaterne har allerede vakt stor opmærksomhed i forskerkredse. Først blev de publiceret i Science den 20. november og kort efter også omtalt i The Economist og Nature. I næste måned vil Jes Broeng og et andet medlem af det danske forskerteam, Stig Barkou, fremlægge resultaterne på en stor amerikansk konference om fiberoptik i San Diego. Det er sandsynligvis ikke kabler til telekommunikation, der bliver den første anvendelse for de nye fibre. Dertil er de almindelige fibre simpelthen så gode, som de næsten kan tænkes. Dog muliggør egenskaberne for den nye type fiber, at mange bølgelængder kan ledes gennem fiberen, uden at laserpulserne udtværes undervejs, og den samlede transmissionskapacitet derved kan øges, så anvendelser inden for telekommunikation kan ikke totalt udelukkes. God til laserlys

Mere interessant er, at den nye type fibre udviser meget stor dobbeltbrydning. Det betyder, at lys polariseret i to på hinanden forskellige vinkelrette retninger ikke vil forstyrre hinanden. Det sker normalt meget let i almindelige fibre. Fibrene er således meget anvendelige til at transportere polariseret laserlys fra et sted til et andet, f.eks. i et laboratorium. Da det er muligt at designe fibre, hvor det meste af effekten går gennem luften, kan man tilmed sende højere effekt end i kvartsfibre, som risikerer at brænde sammen under meget høje laserenergier. Da lyset udbreder sig delvist gennem et hul, kan man også forstille sig, at dette hul fyldes med en luftart, og man via de optiske egenskaber kan analysere luftarten. Derved har man en kompakt og følsom sensor. Der er måske endnu større perspektiver i at lave to-dimensionale strukturer baseret på fotoniske båndgab. Det største problem er at holde lyset i et plan, uden det forsvinder ud af planet. Hvis det lykkes, vil det blive muligt at fremstille meget kom pakte integrerede optiske chips, idet man kan bøje lyset om et skarpt hjørne helt uden tab - som i dag er umuligt. DTU-forskerne er i øjeblikket ved at modificere deres beregningsmodel, så den også kan omfatte planare strukturer. Nå den er klar, håber de at kunne være med til at skabe et nyt gennembrud inden for dette område. n s Lysfordeling i de nye fibre ved indkobling af hvidt lys. Fotoner inden for et bestemt energiområde kan ikke udbrede sig i den omkringliggende periodiske struktur, men fastholdes derimod omkring det ekstra lufthul i midten. Billederne viser tre forskellige fibre med forskellige dimensioner. Dimensionerne og fiberens geometri afgør båndgabsområdet og dermed hvilke bølgelængder (svarende til forskellige farver), der kan fastholdes. Ved lysledning over længere afstande vil det hvide lys i alle hullerne forsvinde, og kun det farvede lys i midten forblive i fiberen. t De nye lyslederkabler spås en stor fremtid i laboratoriet, hvor de kan bruges til højenergiske laserstråler. I Anders Bjarklev, Jes Broeng og Stig Barkous nyudviklede kabel går lyset primært igennem lufthuller, og kvartsfiberen brænder derfor ikke over.(Foto: Bo Tornvig/Sputnik)