Kapitel 7 Think Big Fra passive lysledere til fibre, der forstærker af Karsten Rottwitt Udviklingen af moderne kommunikationsmidler, herunder ikke mindst optisk kommunikation, har gjort det muligt at kommunikere enorme datamængder, ikke kun over korte afstande, men hele verden rundt. Optisk kommunikation har derfor været en betydningsfuld årsag til, at vi nu lever i en global tid. Lys er fascinerende på mange måder. Ikke alene er lys det, som gør os i stand til at se noget, men det indeholder også en enestående kapacitet til at overføre information. Lys er et elektromagnetisk felt, kendetegnet ved en udbredelseshastighed og en frekvens, d.v.s. et bestemt antal svingninger af det elektriske felt per sekund på et bestemt sted. Forholdet mellem udbredelseshastigheden og frekvensen bestemmer lysets bølgelængde - eller det vi opfatter som lysets farve. Optiske frekvenser strækker sig generelt fra få nm (ultraviolet) til få mm (infrarødt). Det menneskelige øje kan opfatte bølgelængder i området fra 380 nm til 740 nm, svarende til et frekvens interval fra 405 THz til 700 THz, hvor 1 THz=10 12 Hz. Skønt dette er et begrænset område er det synlige område et meget bredt frekvensbånd i sammenligning med frekvensbåndet af almindelig tale som fylder nogle få khz, eller for den sags skyld et konventionelt TV signal som fylder 6 MHz. Det er netop det ekstremt store forhold mellem lysets frekvens sammenlignet med de få khz, hhv. 6 MHz, der skal bruges til telefoni, hhv. TV, som gør det muligt at overføre exceptionelt store mængder information. Problemet er blot, at lys udbredes i rette linier med mindre man kan skabe en ledning for lys - en lysleder. Dette gøres ved at udnytte, at forskellige materialer har forskellige brydningsindeks, se kapitel 5. Ved at lave en tråd (kerne) af silica glas, tilsat lidt germanium omkranset af en kappe af rent silica glas, opnås ledning af lys. En sådan lysleder kaldes en germanium doteret fiber. Kernen har en diameter på få mikrometer, hvorimod kappen har en diameter på op til ca. 125 mikrometer. Kernens brydningsindeks er ca. 0,01 højere end kappens.
Kapitel 7 Think Big Den passive fiber Silicaglas består af silicium- og oxygen-atomer, bundet sammen gennem kovalente bindinger, SiO 2, som danner et netværk af tetraedre. Netværket er amorft dvs. det er ikke ordnet, modsat silica-kvartz krystaller, som forefindes i naturen, se Figur 7-1. Når lyset transmitteres gennem netværket af silicium og oxygen atomer, bliver det lidt forsinket, og samtidig dæmpes lyset, idet det bliver spredt på glasnetværket. Dette kan sammenlignes med en kugle som trilles hen over en plade med søm. Farten af kuglen reduceres, hver gang kuglen møder et søm, og den mister lidt energi ved at varme sømmene lidt op. Selvom glas umiddelbart forekommer gennemsigtigt, dæmpes lyset som nævnt ved passagen, hvilket primært skyldes spredning af lyset i glas, benævnt Rayleighspredning. Sendes lys gennem en almindelig vindues-glas rude, der er 0,5 cm tyk, kommer der på den anden side omkring 90 % af lyset ud. Det vil sige at lyset dæmpes til den halve effekt hvis det transmitteres gennem en ca. 3,5 cm tyk rude. Det glas der benyttes i en optisk fiber er af en ekstrem høj kvalitet. Efter transmission gennem en 0,5 cm lang optisk fiber kommer der 99,99998 % ud af det lys der blev sendt ind. Dette svarer til, at der skal en 15 km tyk rude til af sådant glas for at dæmpe lyset til den halve effekt. Mere specifikt er det lys der kommer ud af en fiber, som er L km lang, reduceret med en faktor 10( 0.02L ). Dette betyder at hvis man ønsker at sende lys gennem en 5000 km lang optisk fiber, svarende til afstanden mellem England og USA vil lyset blive dæmpet med en faktor 10 100 eller en GOOGOL gange. Det er praktisk talt umuligt at forholde sig til hvor stort dette tal er til sammenligning er der kun en OCTODECILLION eller 10 57 atomer i solen. Selv med det minimale tab i optiske fibre burde det nu være klart, at skønt det glas der benyttes i optiske fibre er fantastisk gennemsigtigt, vil det være umuligt at sende et optisk signal gennem en Si O + + - 4 4 tetraedre Quartz quartz krystal Ring med 6 tetraedre Glas Ring med 4 tetraedre Fig 7-1: Silica glas er et amorft netværk, som har samme bestanddele som quartz krystaller, tetraedre. 126
Think Big Kapitel 7 optisk fiber mellem Liverpool, England, og Boston, USA, hvor den korteste afstand, fugleflugtslinie afstanden, netop er 5000 km. Derfor er der brug for at forstærke et optisk signal undervejs. Tabet er stærkt afhængigt af hvilken bølgelængde man sender gennem glasset. Ovenstående tal-eksempel for den optiske fiber gælder for lys med en bølgelængde omkring 1555 nm, hvor tabet i silica glas er mindst. Det er derfor denne bølgelængde, der benyttes til optisk kommunikation. Det bemærkes, at denne bølgelængde er usynlig for det menneskelige øje. Manglen på optiske forstærkere var en hindring for at anvende optisk kommunikation til langdistancekommunikation frem til slutningen af 1980 erne, hvor det lykkedes at lave en forstærker til et optisk signal. Hvordan bliver effekten af lys større og større? De fleste kender til forstærkning af elektriske signaler, ikke mindst i forbindelse med forstærkere i radioer, CD-afspillere, etc., mens færre kender til forstærkning af lys. Ved optisk forstærkning forstås mere præcist det fænomen, at effekten af lys ved en bestemt bølgelængde forøges. Dette sker ved at energi overføres til lyset fra en anden energikilde, f.eks. fra lys ved en anden bølgelængde, til det lys der forstærkes. Allerede i 1970 erne havde forskere vist, at man ved at dotere silicaglas fibre med neodymium, grundstofelement nummer 60 der tilhører gruppen af såkaldte sjældne jordarter, kunne opnå forstærkning af lys. Imidlertid skulle man frem til anden halvdel af 1980 erne, før de helt store teknologiske fremskridt kom. Disse skete med dotering af silicaglas med en anden sjælden jordart, erbium, grundstof nummer 68. Med erbiumdoteret silicaglas var det muligt at opnå forstærkning af lys med bølgelængder omkring 1555 nm, netop der hvor silicaglas har mindst tab. I en erbiumdoteret optisk fiber kan forstærkningen forklares som en to-trins proces. I det første trin overføres energi til den erbiumdoterede fiber ved at energitilstanden af erbiumionerne forøges. Ved denne proces oplagres energien i et kort tidsrum, i gennemsnit nogle få millisekunder, hvorefter energien afgives fra erbiumionen ved at der udsendes lys, dog med mindre energi i forhold til det oprindelige lys. Hvis der kommer lys ind med en energi svarende til den, der er oplagret i en erbiumion vil udsendelsen af lys blive stimuleret. Det vil sige, at lyset har samme retning, frekvens og fase som det lys, der stimulerede processen. Dette kan sammenlignes med, at man spænder en fjeder. Fjederen bliver i denne spændte tilstand et kort stykke tid inden den automatisk løsnes og indstiller sig i sin hvileposition. Hvis der imidlertid kommer en person og hægter sig fast på den fastspændte fjeder, kan vedkommende løsne fjederen og få overført energien til sig selv. I tilfældet med den erbiumdoterede fiber er den, som løsner fjederen, lyset ved den rigtige bølgelængde, som herved får mere energi. Mere detaljeret sker energiudvekslingen mellem lyset og erbium fiberen gennem elektronerne i erbiumionerne. Da erbium er grundstof nummer 68, har det 68 elektroner kredsende omkring kernen. Disse er fordelt på 6 såkaldte skaller. I første skal findes 2 elektroner, i anden skal 8, i tredje skal 18, i fjerde skal 30, i femte skal 8, og i sjette skal 2 elektroner. Det maksimale antal elektroner i skal nummer n er 2 n 2. Hver skal er yderligere opdelt i orbitaler. I skal nr. et er der én såkaldt s-orbital, i skal nr. to er der én s-orbital og tre såkaldte p-orbitaler. I skal tre er der én s-orbital, tre p-orbitaler og fem såkaldte d-orbitaler. I skal fire er der én s-, tre p-, fem d- og syv f-orbitaler. Og så fremdeles. Hver elektron har en energi, som er bestemt af dens bane omkring kernen samt dens eget spin. I glas indlejres erbium som Er 3+ ioner, d.v.s. erbium som har afgivet 3 elektroner, og derfor har 127
Kapitel 7 Think Big FAKTABOKS Elektronens spin Elektronen har en egenskab, der kaldes spin, og som kan opfattes som om den roterer omkring en akse, præcist som jorden, der roterer omkring en akse, der stort set går gennem den geografiske nord og syd pol. Hvis denne akse vippes, ændres energiniveauet for hele atomet. Elektronens spin kan have to retninger, betegnet spin-op eller spin ned. Når et atoms orbitaler fyldes med elektroner, vil de laveste energitilstande fyldes først. I hver orbital kan der højst være to elektroner med hver sin spin-retning. I en given skal fyldes først én elektron i hver orbital. Herefter fyldes hver orbital med endnu én elektron med modsat spin af den første. 65 elektroner tilbage. Med hensyn til vekselvirkning af energi mellem erbiumioner og lyset, sker det gennem elektronerne i de 7 f-orbitaler i fjerde skal. Disse orbitaler indeholder 11 elektroner ud af 14 mulige. Der er derfor tre orbitaler som kun indeholder én elektron, som kan have spin-op eller spin-ned. Af Figur 7-2 ses, at der findes fire energiniveauer, som elektronerne kan befinde sig i og hertil svarer lysudsendelse ved tre forskellige bølgelængder. Erbiumionernes energiniveauer og levetider er afhængige af ionens umiddelbare omgivelser i glasset inklusive glassets sammensætning. Det gør således en forskel, om det er silica, der benyttes som det primære materiale i fibren, og om det er germanium eller et andet materiale f.eks. aluminium, der benyttes som doteringsmateriale til at øge brydningsindeks af kernen i fiberen. Et typisk design af en erbiumdoteret fiberforstærker indeholder et stykke erbiumdoteret fiber. Erbiumionernes energitilstand ændres ved at tilføre lys ved en kortere bølgelængde (d.v.s. med mere energi end signalet, der ønskes forstærket). Dette sker fra en såkaldt pumpelaser, som er koblet til erbiumfiberen via en kobler. Kobleren benyttes samtidig til at koble signalet ind gennem fiberforstærkeren, se Figur 7-3. Designet i figur kan optimeres på flere måder alt afhængigt af hvilke egenskaber ved forstærkeren, man ønsker at opnå. Det kan for eksempel være forstærkere med speciel stor udgangseffekt, forstærkere med speciel stor båndbredde, forstærkere med specielt gode støjegenskaber, eller forstærkere som giver ensartet forstærkning over mange forskellige bølgelængder. Den erbiumdoterede fiber har ført til en revolution indenfor anvendelse af optiske fibre. I det følgende fremhæves to eksempler: undersøiske fiberkabler og fiberlasere. Undersøiske fiberkabler I år 2006 fandtes der 389 tusinde kilometer undersøiske fiberstrækninger svarende til næsten 10 gange afstanden jorden rundt. Trans-Atlantisk Telefon kabel no. 1, betegnet TAT- 1, var det første kommunikations kabel, der blev lagt under Atlanterhavet. Dette blev taget i brug i 1956. Kablet var et koaksial kabel, d.v.s. baseret på kobberledninger, og kunne transmittere 36 telefonsamtaler samtidig. Kablet blev også benyttet til en direkte forbindelse mellem Sovjetunionen, Moskva, og USA, Washington, den såkaldte HOT line. Frem til 1988 var alle undersøiske kabler koaksialkabler. På det tidspunkt blev det ot- 128
Think Big Kapitel 7 tende Trans-Atlantiske Telefonkabel TAT-8 etableret. Dette var det første Atlanterhavs kabel til at benytte optiske fibre. Kablet havde en kapacitet på 280 Megabit per sekund svarende til transmission af 35.000 samtidige telefonsamtaler. Imidlertid blev signalet for hver ca. 40 km gendannet, det vil sige, detekteret, lavet om til et elektrisk signal, forstærket og endeligt lavet om til et optisk signal igen, som efterfølgende blev transmitteret 40 km før det igen blev gendannet og sendt videre gennem endnu 40 km optisk fiber, osv. Et årti senere kom næste generation af Atlanterhavskabler, som nu benyttede optiske forstærkere. Det er sådanne kabler, der benyttes i dag. På disse foregår transmissionen hele vejen under Atlanterhavet nu rent optisk. I det seneste atlanterhavskabel TAT-14 er kapaciteten 640 Gigabit per sekund svarende til 7,7 millioner samtidige telefonsamtaler. Inden TAT-8 blev installeret under Atlanterhavet gjorde man, d.v.s. telefonselskabet AT&T, en del erfaringer med den teknologi som skulle benyttes. Bl.a. fandt man ved et søkabel installeret ved de Canariske øer, at der opstod pludselige fejl på det undersøiske kabel. Det blev nødvendigt at fiske kablet op en bekostelig opgave som gerne skulle undgås ved kabler under Atlanterhavet. Ved undersøgelse af kablet fandt man til stor overraskelse haj-tænder i kablet. Hajer havde aldrig tidligere gået til angreb på undersøiske kabler, hvorfor man måtte stille spørgsmålet: hvorfor viste hajer denne appetit på optiske fiberkabler?. Efter grundige undersøgelser blev det konkluderet, at hajerne blev tiltrukket af det strømførende kabel, som var integreret med den optiske fiber i kablet, beregnet til at føre strøm frem til hver regenerator. I de tidligere koaksialkabler havde en skærm i kablet forhindret, at hajerne kunne fornemme de strømførende kabler. Designet af det planlagte optiske Atlanterhavskabel blev følgelig modificeret, således at det også indeholdt en tilsvarende skærm. E 3 E 2 2.75 µm E 1 0.98 µm 1.54 µm E 0 Fig 7-2. Der er 65 elektroner, som kredser omkring atom-kernen i erbium. Af disse er det blandt de elektroner, der sidder langt fra kernen, mere specifikt tre af elektronerne som er placeret i f-orbitalerne i 4 skal, benævnt 4f elektroner, som giver mulighed for at ændre eneginiveau af erbiumioner. De 4 energiniveauer, der svarer til forskellige spin af de tre elektroner i f-orbitalerne, er på figuren vist som E 0, E 1, E 2, og E 3. 129
Kapitel 7 Think Big Signal Kobler Erbium doteret Fiber Kobler Forlæns pumpe Baglæns pumpe Pumpelaser Pumpelaser Figur 7-3 Illustration af et design af en erbiumdoteret fiberforstærker. Pumpelys kan kobles ind i fiberen ved brug af koblere. Pumpe-lyset kan kobles ind fra begge ender af den erbiumdoterede fiber, idet det er ligegyldigt om det udbredes i samme retning eller modsat retning som signal-lyset. Fiberlasere Udover anvendelsen som forstærkere i undersøiske fiberkabler, kan fiberforstærkere også anvendes til fiberlasere. Det havde forskerne opdaget allerede inden man begyndte at benytte dem som forstærkere i kommunikationssystemer. For at opbygge en laser skal man have et forstærkende medie samt to spejle, som man kan placere uden om forstærkeren. De to spejle kommer dermed til at definere laserkaviteten, hvori lysets effekt vokser, indtil der nås en balance, mellem hvad der lukkes ud af kaviteten, og hvad der bygges op inde i kaviteten. Som spejle er en anden optisk fiber komponent Bragg-gitteret - vigtig. Bragg-gitteret virker som et spejl for en specifik bølgelængde. Denne virkning opnås ved at danne periodiske variationer af brydningsindekset i den optiske fiber i retningen, hvori lyset udbredes. Ved hver brydningsindeksvariation opstår en refleksion. Ved at afstemme perioden af brydningsindeksvariationerne til lysets bølgelængde opnås konstruktiv hhv. destruktiv interferens, som gør at bestemte bølgelængder reflekteres, mens andre transmitteres. Denne virkning svarer til et spejl. Med udviklingen af gitteret blev det muligt at lave fiberlasere, som udsender lys med en konstant effekt og ved en bølgelængde bestemt af Bragggitrene i kaviteten. Kvaliteten af fiberlasere er gennem de seneste år forbedret, og udgangseffekten af de lasere, som nu kan købes kommercielt, er en parameter, som til stadighed vokser og som for længst er nået en kilo Watt. For øjeblikket er forskningen indenfor fiberlasere drejet i retning mod pulsede lasere, hvor udfordringerne er enten at opnå så korte pulser som muligt eller at få pulser med så stor energi som muligt. For at få en fiberlaser til at udsende pulser, anvendes typisk en ikke-lineær mekanisme som for eksempel et spejl, hvis refleksivitet afhænger af intensiteten af det lys, der sendes ind mod spejlet. Disse lasere har et særdeles stort potentiale for anvendelse bl.a. indenfor medicin og materialebearbejdning, hvor for eksempel den gen- 130
Think Big Kapitel 7 nemsnitlige effekt ikke må være høj af hensyn til varmebetragtninger, men hvor til gengæld spidseffekten af en kort puls er tilstrækkelig til at opnå den ønskede virkning. Raman forstærkere Takket være erbiumdoterede fibre og Bragg-gitre, blev det muligt at udvikle nye lasere, som kan udsende lys med stor effekt. Disse lasere har gjort det muligt at anvende ikke lineære optiske effekter i optiske fibre. Et vigtigt eksempel herpå er Ramanspredning i optiske fibre, som kan benyttes til at opnå optisk forstærkning. Et alternativ til den erbiumdoterede fiberforstærker. Ramanspredning blev opdaget i 1928 af Sir C.V. Raman. Ved at sende lys ind mod et materiale så Sir C.V. Raman, at det lys, der blev reflekteret fra materialet, havde skiftet bølgelængde d.v.s. farve. Det blev hurtigt anerkendt som en metode man kunne bruge til at afklare hvilke bestanddele, der var i et forelagt materiale. Sir C.V. Raman fik i 1930 Nobelprisen for sit arbejde og var med sin opdagelse med til at bane vejen for en optisk metode Ramanspektroskopi, som efterfølgende har været flittigt benyttet f.eks. indenfor kemi. Ramanforstærkning er baseret på vekselvirkning mellem lys og det netværk af molekyler, som det glasmateriale lyset transmitteres gennem, består af. Glasnetværket er ved stuetemperaturer et vibrerende netværk. Ved Ramanspredning afgiver lyset lidt energi til glasnetværket. Lyset med den reducerede energi svarer til at lyset har en kortere bølgelænge og dermed, hvis det er indenfor den synlige del af det optiske spektrum, opleves som havende en anden farve. Mere præcist sker energiudvekslingen mellem lyset og glasset eller mere korrekt glasnetværket. For overskuelighedens skyld kan glasnetværket tænkes sammensat af ringe, hexagonale ringe med seks tetraedre, tetragonale ringe med fire tetraedre, trigonale ringe med tre tetraedre etc. se Figur 7-1. Disse ringe giver mulighed for at glasnetværket kan vibrere med bestemte vibrationsmønstre. Et af disse vibrationsmønstre kan være en simpel oscillerende bevægelse, hvor et oxygenatom bundet til to siliciumatomer svinger op og ned. Et andet vibrationsmønster fås når tre oxygenatomer i en ring med tre tetraedre oscillerer på en måde hvorpå ringen henholdsvis trækker sig sammen og udvider sig, som illustreret på Figur 7-4. Hver af disse vibrationsmønstre kan tænkes som en fjeder med sin egenfrekvens. Energien i en sådan svingning er langt mindre end energien af det lys, der kommer ind. Det mindste kvantum af en mekanisk svingning betegnes en fonon til sammenligning med en foton, som representerer det mindste kvantum af en elektrisk svingning. Da lyset har en langt større energi end hvad der er indeholdt i en fonon, og man derfor ikke kan få lysemission eller absorption ved at absorbere eller danne en fonon, kan det indkomne lys afgive eller modtage energi til en sådan svingning. Det mest sandsynlige er, at lyset vil afgive energi til svingningerne. Dette sker naturligvis på bekostning af, at lysets energi bliver formindsket d.v.s. dets bølgelængde bliver større. En vekselvirkning som denne kan altid forekomme, selv hvis glasnetværket bringes i komplet hvile ved at køle glasset ned til 0 K (-273 C). Den mindre sandsynlige hændelse, hvor lyset modtager energi fra glasnetværket kan også ske. Herved reduceres lysets bølgelængde. Denne hændelse kan naturligvis ikke ske hvis glasnetværket er fuldstændig i ro, d.v.s. ved 0 K. For at opnå optisk forstærkning, sendes lys ved to forskellige frekvenser, eller bølgelængder, ind i glasset. Den ene frekvens, f s, svarer til frekvensen af det signal, der skal forstærkes. Den anden frekvens, f p, svarer til den bølge, hvorfra energi skal tages. Den sidstnævnte betegnes typisk pumpebølgen. Forskellen i frekvens mellem signalet og pumpen skal svare til frekvensen af en fonon. I dette tilfælde vil spredningen af lyset fra 131
Illustration af spontan spredning af grønt lys på et glasnetværk bestående af tre tetraedre. Glasmaterialet skal tænkes at befinde sig ved stuetemperatur, hvorfor de enkelte atomer vibrerer. Det spredte lys har en mindre energi end det grønne, hvorfor det på figur er vist som rødt.
Kapitel 7 Think Big Virtuelt niveau f p f s Si Si E 1 E 0 Ω Si Fig 7-4. Raman forstærkning opnås ved vekselvirkning mellem lys og vibrationsmønstre i glasnetværket. Hvert vibrationsmønster har en energi karakteriseret ved en frekvens. På figuren er illustreret et vibrationsmønster fra en ring af tre Si 4 4+ tetraedre. Denne vekselvirkning er illustreret ved et energiniveau diagram, hvor E 0 og E 1 svarer til en start hhv. en sluttilstand for glasnetværket. f s og f p er frekvens af signal hhv pumpelys. Den stiplede linie illustrerer et virtuelt energiniveau. den høje frekvens, pumpen, blive stimuleret af signalet ved den lave frekvens, og det spredte lys vil have samme frekvens, fase og retning som signalet ved den lave frekvens. Et illustrativt billede af, hvad der sker, er et spil billard, hvor en billard kugle sendes afsted mod en stille liggende billard kugle. Den stille liggende kugle kan få energi overført til sig fra kuglen, der blev sendt af sted mod den. Til gengæld mister kuglen, der blev sendt af sted energi, og vil efter stødet have en reduceret energi. Ramanforstærkeren har flere fordele sammenlignet med erbiumforstærkeren. For det første er energiudvekslingen ikke baseret på overgange i materialet, d.v.s. ioner der skifter energi niveauer ved at elektroner skifter spin, men derimod ved at energi udveksles med fononer. Konsekvensen heraf er, at man kan få forstærkning ved vilkårlige signalbølgelængder blot ved at vælge frekvensen af pumpen nøje afstemt til summen af frekvensen af signalet og frekvensen af fononer i glas, hvilken i det konkrete tilfælde (glas) typisk er 13 THz. Tillige kan man kombinere lys fra flere pumpefrekvenser og herved opnå forstærkning for et endnu bredere bånd af signalfrekvenser. Endeligt behøver man ikke dotere fibre med specielle materialer, idet silica glasnetværket i sig selv virker som forstærkende medie. Ramanforstærkeren har dog også ulemper. Den største er, at den ikke er så effektiv som erbiumforstærkeren. For erbiumforstærkeren fås forstærkning på en faktor 100 for nogle få milli-watt pumpelys. Til sammenligning kræves der flere hundrede milli-watt pumpelys for at opnå en tilsvarende forstærkning fra Ramanspredning i en silica-glasfiber. Et emne, som er mindst lige så vigtigt som forstærkning, er støjegenskaber, men det vil vi ikke komme ind på her. Dog bemærkes at Raman forstærkning i lange kabler har bedre støjegenskaber. 134
Think Big Kapitel 7 Anvendelse af Ramanforstærkning har gjort det muligt at transmittere 3 terabit per sekund over 300 km. Til sammenligning er der i en telefonsamtale 8 kilobit per sekund, d.v.s. man kan transmittere 50 millioner telefon samtaler samtidig på en Ramanforstærket fiber. Dette svarer til at hele befolkningen i England kan tale med befolkningen i Spanien samtidig via en og kun en fiber. Parametriske forstærkere For tiden er der en voldsom vækst i anvendelse af optik indenfor mange andre grene af videnskab end optisk kommunikation. Eksempler inkluderer sensorer til kemiske og/eller biologiske materialer, kortpulsede lasere til materialebearbejdning såvel som medicinsk behandling af f.eks. øjensygdomme. Endelig bør også nævnes optisk kvanteinformation og ren optisk signalprocessering, som eksempler på nye forskningsområder, der anvender optik. Til flere af disse anvendelser er forstærkning ikke tilstrækkelig, idet mere multifunktionelle komponenter forespørges, for eksempel en forstærker som kan skifte bølgelængden af lys samtidig med at lyset kan forstærkes, eller forstærkere som ikke kun forstærker, men som også renser signalet for støj. etc. Et eksempel på en sådan ny type fiberforstærker er en parametrisk forstærker. Denne forstærker baseres ikke på vekselvirkning mellem lys og energiovergange i et materiale, eller mellem lys og molekylære vibrationer i et materiale, men derimod på forskydninger af elektroners placering omkring atomkerner i glasmaterialet. Når lys ved tre forskellige bølgelængder transmitteres samtidig gennem en og samme fiber vil de tre bølger vekselvirke med hinanden og det vil være muligt at overføre effekt mellem dem. Dette sker ved vekselvirkning mellem lyset ved de tre bølgelængder og glas-materialet, idet lyset forskyder elektronerne i forhold til atomkernerne i glas- Figur 7-5. Ved parametrisk forstærkning sker energiudveksling mellem lys og glasnetværket ved at elektronskyen forskydes i forhold til atomkernen. Dette bevirker en induceret ikke-lineær polarisation af hvert atom, som makroskopisk gør, at lys kan overføres til lys ved den frekvens, der svarer til den inducerede polarisation. 135
Kapitel 7 Think Big netværket, se Figur 7-5. Disse forskydninger har frekvenser, som følger sum og differens frekvenser mellem de tre lysstråler. Hvis en af frekvenserne for forskydningerne falder sammen med en af frekvenserne af de oprindelige tre lysstråler kan lys overføres til denne frekvens. Parametriske processer har gennem flere år været benyttet i klassisk optik, hvormed menes i krystaller, men er på det seneste undersøgt for anvendelse i optiske fibre. En elegant anvendelse af parametriske processer i optiske fibre er til bølgelængdekonvertering, hvor et signal ved en bølgelængde overføres til en anden bølgelængde. Afslutning Indenfor de seneste årtier har den optiske fiberforstærker været nøglen til essentielle landvindinger indenfor optisk kommunikation. For tiden rettes stor fokus mod andre fagdiscipliner udover optisk kommunikation, hvor optiske fiberforstærkere kan anvendes med succes. Til dette er der allerede eftervist fiberforstærkere, som kan benyttes til sådanne udfordringer for eksempel Ramanforstærkere og parametriske forstærkere. I artiklen her er fokuseret på optiske fibre, der kan forstærke lys. Skulle man forudse hvad efterfølgeren eller forlængelsen til artiklen ville blive, ville en sådan formentlig bære titlen: Aktive fibre, idet fremtidens fibre formentlig vil komme til at blive langt mere funktionelle. For eksempel ved at disse ikke alene vil forstærke, men også kunne skifte bølgelængde af det transmitterede lys, udsende lys eller filtrere nogle signaler bort, mens andre forstærkes. bærer af informationer af HDTV signaler, computer data til sensorer, i vore huse og biler eller sågar indvævet i vort tøj. Nogle af disse forudsætter dog, at vi får succes med udviklingen af nye materialer. Eksempler på disse er nanostrukturerede materialer f.eks. glas- eller polymermaterialer doteret med nanopartikler, metalliske, halvledere eller nano materialer såsom carbon-nanotubes. Hvad der kommer til at drive sådanne fremskridt er et lige så godt spørgsmål. Vil det være vor teknologisk kunnen, f.eks. det at vi nu kan forstærke ved nye bølgelængder i polymerfibre, som gør at vi vil benytte polymerfibre hjemme i stuen i stedet for kobberkabler, eller vil det være det faktum, at man til specifikke formål f.eks. har brug for lasere, der gør, at højeffektslasere bliver udviklet og der så efterfølgende åbnes mulighed for at disse kan benyttes til andre, men ikke generelle formål? Man kan spørge sig selv, hvor det næste gennembrud kommer, og hvad der vil drive det næste gennembrud. Det kunne meget vel være indenfor sensorer, biofotonik eller kvanteinformation, skabt af et ønske om at få mange hurtige og nøjagtige målinger af biologiske størrelser samt terrortrusler eller ønsket om at kunne sikre den stadigt stigende mængde elektroniske informationer, som vil blive sendt gennem optiske fibre. Det er engang blevet sagt, at det er svært at spå og det specielt om fremtiden. Det gælder nok også for optiske fiberforstærkere men sikkert er det, at fremtiden ser lys og aktiv ud. Mens dette er en påstand, er det et faktum, at optiske forstærkere allerede har haft stor indflydelse på vores alles hverdag, om end måske mindre bemærket af de fleste. Der synes dog ingen hindringer for, at denne indflydelse vil blive endnu større, hvis/når vi for alvor begynder at få optik helt inkluderet i vores hverdag, f. eks. til yderligere 136
Think Big Kapitel 7 Karsten Rottwitt, Lektor 137