В университете ИТМО улучшили оптоволокно для передачи данных

Специалисты университета модернизировали оптоволокно и повысили эффективность передачи данных. С помощью новой технологии захвата света удалось избавиться от слепых зон, которые возникали при больших углах падения. «Прокачанное» оптоволокно можно использовать для улучшения изображения эндоскопии и лапароскопии, квантовых технологий и оптоволоконных датчиков.

Оптоволокно позволяет оптическому сигналу передавать почти в миллион раз больше информации, чем электрическому посредством медного провода. Технологию используют в повседневной медицине, например при проведении исследований внутри живого организма. Использование оптического волокна позволяет эндоскопистам провести быструю и точную диагностику пациента. Однако при наклонном падении света эффективность использования оптоволокна для этих целей мгновенно снижается. Если угол падения света составляет более 15 градусов, то оптоволокно практически бесполезно.

Фундаментальную задачу о правильно падающем свете удалось решить учёным ИТМО Олегу Ермакову и Андрею Богданову в сотрудничестве с Институтом фотонных технологий имени Лейбница в Германии и Австралийским национальным университетом.

Исследователи предложили использовать диэлектрическую наноструктуру из нитрида кремния, которую нанесли на торец оптоволокна. Наноструктура сделана в виде кольцевой дифракционной решетки, которая принимает свет любой поляризации с любого направления при больших углах падения. Нитрид кремния практически не поглощает свет в отличие от предыдущих аналогов. Эти факторы увеличили эффективность захвата света примерно в 10 тыс. раз по сравнению с оптическими волокнами с металлической наноструктурой или без нее.

«Думаю, наш успех заключается в гармоничном сочетании специалистов в области оптоволокна и оптических наноструктур, командной работе теоретиков и экспериментаторов,— объясняет сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Олег Ермаков,— мы продвинулись от поверхностного понимания проблемы до четко сформулированной концепции, аналитического описания и точной численной модели. Это позволило нам определить оптимальный дизайн структуры, которую впоследствии изготовили и измерили наши немецкие коллеги».

В ближайшее время исследователи планируют ускорить, упростить и удешевить процесс изготовления наноструктур с помощью технологии нанопечатной литографии — штампования полимерного покрытия и последующего удаления лишних слоев материала. Сейчас ученые работают над автоматическим алгоритмом, который бы позволил определить дизайн отдельной наноструктуры под любую конкретную задачу.

«Устройство будет полезно для любого приложения, которое требует удаленного сбора света под большим углом, например в спектроскопии in vivo или квантовых технологиях»,— комментирует руководитель проекта профессор Маркус Шмидт.

«В течение многих лет успех нанофотоники, развиваемой для эффективного управления взаимодействием света и вещества, не был связан с прогрессом в оптоволоконных технологиях, направленных на гораздо более крупные масштабы. Эта работа обеспечивает мост между двумя областями знаний. Значимость этого факта подчеркивается выбором нашей статьи на обложку журнала ACS Photonics с импакт-фактором 7.3»,— рассказывает соруководитель исследования, почетный доктор Университета ИТМО и действительный член Австралийской академии наук, профессор Юрий Кившарь.

Исследование проводилось при поддержке Фонда развития теоретической физики и математики «Базис», Немецко-российского междисциплинарного научного центра (G-RISC) и Российского научного фонда.

Использованы материалы статьи «Nanostructure-empowered Efficient Coupling of Light into Optical Fibers at Extraordinarily Large Angles»; Oleh Yermakov, Henrik Schneidewind, Uwe Hubner, Torsten Wieduwilt, Matthias Zeisberger, Andrey Bogdanov, Yuri Kivshar, Markus A. Schmidt; журнал ACS Photonics, октябрь 2020 г.