Czasem teoria brzmi jak poezja technologii — precyzja, kontrola, perfekcja. Ale rzeczywistość… cóż, rządzi się własnymi prawami. W najnowszej publikacji w “Small Methods”, polski zespół badaczy wykazał, że nawet najbardziej zaawansowane światłowody z nanostrukturalnym rdzeniem nie są odporne na fizykę. Co naprawdę dzieje się wewnątrz takiego światłowodu? Sprawdzono to przy pomocy spektrometrii mas jonów wtórnych (SIMS). Wykonano to z imponującą precyzją – do 3 nanometrów.

Światłowody z nanostrukturalnym rdzeniem to nowoczesne włókna optyczne, których wnętrze wypełnione jest mikroskopijnymi prętami szklanymi. Każdy z nich może być domieszkowany innym pierwiastkiem, np. germanem (Ge) lub iterbem (Yb), co wpływa na właściwości światła przesyłanego przez światłowód. Projekt takiej struktury jest bardzo precyzyjny – wręcz zegarmistrzowski – i ma umożliwić pełną kontrolę nad zachowaniem światła wewnątrz włókna.

Podczas procesu produkcji światłowodu, który obejmuje m.in. ciągnienie włókna w wysokiej temperaturze, atomy pierwiastków zaczynają się przemieszczać. Zjawisko to nazywa się dyfuzją. W efekcie zaplanowany układ domieszek zaczyna się zmieniać — pierwiastki nie pozostają dokładnie tam, gdzie powinny, a to ma wpływ na końcowe właściwości światłowodu.

Badacze z zespołu pod kierownictwem Pawła Piotra Michałowskiego użyli techniki SIMS (spektrometrii mas jonów wtórnych), która pozwala analizować skład chemiczny z bardzo dużą dokładnością. Przeprowadzili wiele pomiarów z różnych kątów, co umożliwiło im stworzenie trójwymiarowego modelu rozmieszczenia pierwiastków w rdzeniu światłowodu. Dzięki tej pomysłowej metodzie mogli zaobserwować nie tylko zasięg dyfuzji, ale też wykrywać drobne wady strukturalne, np. brak jednego z prętów.

Okazało się, że german (Ge) rozprzestrzenia się bardzo ograniczenie — tylko na 42,5 nanometra, co stanowi 23% pierwotnej średnicy pręta. Natomiast iterb (Yb) dyfunduje znacznie dalej — aż do 116,6 nanometra, czyli ponad 150% pierwotnej średnicy. Oznacza to, że german pozostaje skoncentrowany lokalnie, a iterb rozkłada się niemal jednorodnie w całym rdzeniu.

Rzeczywisty rozkład domieszek bezpośrednio wpływa na właściwości optyczne światłowodu. Jeśli konstruktorzy nie uwzględnią zasięgu dyfuzji w procesie projektowania, gotowy światłowód może zachowywać się zupełnie inaczej niż zakładano — a to oznacza mniejszą skuteczność, a nawet błędy w działaniu całych systemów optycznych. Dzięki nowej metodzie badawczej możliwe jest teraz dokładniejsze planowanie i unikanie takich rozbieżności.

Opracowana przez Pawła Piotra Michałowskiego, Dariusza Pysza, Marcina Franczyka i Ryszarda Buczynskiego metoda pozwala projektować światłowody z większą precyzją niż kiedykolwiek wcześniej. Zamiast zakładać idealne warunki, inżynierowie mogą opierać się na twardych danych dotyczących zachowania materiałów w rzeczywistych warunkach. To krok milowy w tworzeniu bardziej wydajnych i przewidywalnych rozwiązań fotonicznych.

Michałowski, P. P., Pysz, D., Franczyk, M., & Buczyński, R. (2025). Secondary Ion Mass Spectrometry Approach for Measuring the Diffusion Range in Optical Fibers with Nanostructured Cores. Small Methods, 9, 2401601. https://doi.org/10.1002/smtd.202401601