Research project
Światłowody typu free-form dla systemów informacyjnych
prof. dr hab. Ryszard Buczyński | Project leader |
dr hab. Rafał Kasztelanic | Investigator |
mgr Bartosz Pałuba | Fellow |
Co-contractors:
Michał Łapiński - stypendysta |
Koncepcja światłowodów nie zmieniła się przez ostatnie 60 lat. Jest to ścisłe związane z właściwościami technologii MCVD stosowanej do wytwarzania włókien. Obecnie ulepszenia światłowodowych urządzeń telekomunikacyjnych są dokonywane poprzez rozwój urządzeń peryferyjnych, jako sposób obejścia ograniczeń światłowodów. Stosowane tradycyjnej konstrukcji światłowodów wpływa na ograniczenia w kształtowaniu modowości, dyspersji, właściwości polaryzacyjnych, strat propagacyjnych i zgięciowych, oraz ograniczonego transferu mocy.
Dotychczasowe badania wiodących firm telekomunikacyjnych wskazywały rok 2015 jako granicę możliwości transmisyjnych włókna SMF. W 2013 i 2015 roku osiągnięto największą możliwą przepustowość w światłowodzie jednomodowym z wykorzystaniem multipleksji DWDM odpowiednio 60Tbit/s i 100Tbit/s. Nowe włókna wielordzeniowe (MCF) i kilkumodowe (FMF) są badane od prawie 10 lat, aby zidentyfikować nowe sposoby do zwiększenia przepustowości łączy. W 2018 roku Sumitomo przeprowadziła eksperyment pokazujący transmisję w 19-rdzeniowym włóknie z multipleksją przestrzenną na 3 modach oraz z multipleksją długości fal DWDM, podczas którego osiągnięto przepływność w pojedynczym włóknie ponad 10Pbps. Jest to prawie 100-krotna przepustowość włókna jednomodowego. Aktualne prace określają hipotetyczną przyszłą pojemność transmisyjną takich hipotetycznych włókien wyrażoną w funkcji przepływności i długości na 1 Eb/s (exa bit/s). Obecne MCF i FMF przewyższają SMF, ale ich rozwój napotyka na ograniczenia związane z technologią światłowodową MCVD, stosowaną jako standardowa metoda wytwarzania. Ograniczenia te związane są z rotacyjną symetrią rozkładu współczynnika załamania światła oraz ograniczonym poziomem domieszkowania.
W tym projekcie badamy całkowicie nowe podejście wykorzystujące nanotechnologię do wytwarzania włókien o swobodnym rozkładzie współczynnika załamania (free-form fibers). W tym przypadku rdzeń włókna składa się z tysięcy nanoprętów z różnych szkieł, które determinują efektywny rozkład współczynnika załamania we włóknach, zgodnie z rozkładem nanopretów. W ten sposób można uzyskać dowolny efektywny rozkład współczynnika załamania światła w rdzeniu bez ograniczeń symetrii kołowej, jakie istnieją w standardowych technologiach wytwarzania preform włókien.
Włókna typu free-form znacząco różnią się w swojej koncepcji i technologii od klasycznych włókien opartych na technologii MCVD, włókien fotonicznych i mogą być traktowane jako odrębna klasa włókien optycznych. Nanostrukturalne włókna swobodne są jednolicie szklane (brak otworów powietrznych we włóknach), mają standardowe. Włókna te są w pełni kompatybilne z obecnymi systemami telekomunikacyjnymi opartymi na szkłach krzemionkowych i mogą być dopasowane do istniejących sieci telekomunikacyjnych. Podstawowa różnica polega na kształtowania efektywnych parametrów włókien dzięki nanostrukturyzacji. Elastyczność w inżynierii właściwości optycznych (dyspersja, modalność, polaryzacja) przewyższa te oferowane przez standardową technologię MCVD.
W projekcie planujemy opracowanie nowych algorytmów opartych na sztucznej inteligencji do projektowania włókien typu ‘free form’ i zbadać ich możliwości do kształtowania właściwości optycznych włókien. Dotychczas stosowaliśmy algorytmy symulowanego wyżarzania do wyznaczenia wewnętrznej struktury włókna złożonego z nanoprętów. Metoda ta pozwala na bardzo dokładne uzyskanie dowolnego dedykowanego efektywnego rozkładu współczynnika załamania światła, ale nie pozwala na efektywnie projektowanie struktur o zadanych parametrach efektywnych. Następnie planujemy opracować i eksperymentalnie zweryfikować zalety włókien typu free-form zastosowanych w nowych typach włókien kilkumodowych (FMF), z dużym polem modowym (LMA), wielordzeniowych (MCF) dedykowanych dla centrów danych, długodystansowych łączy światłowodowych oraz włókien ze wzmocnionym rozpraszaniem Rayleigha (ERS). W ostatniej części projektu zbudujemy co najmniej 3 demonstratory nowych włókien, aby przeprowadzić bezpośrednie porównanie ich wydajności z istniejącymi włóknami i zweryfikować ich działanie w testowych liniach telekomunikacyjnych.
- Anuszkiewicz A., Bouet M., Filipkowski A., Kasztelanic R., Dobrakowski D., Pysz D., Cassez A., Mussot A., Bouwmans G., Buczynski R., 2024, Birefringence engineering in nanostructured ZEBRA fiber, Journal of Lightwave Technology, vol. 42(14), pp. 4959 - 4965, 10.1109/JLT.2024.3383247
- Kasztelanic R., Nguyen H.T., Pysz D., Thienpont H., Omatsu T., Buczynski R., 2024, Free-form optical fiber with a square mode and top-hat, Advanced Science, vol. 11(33), art. 2402886, 10.1002/advs.202402886
- Kaźmierczak S., Kasztelanic R., Buczyński R., Mańdziuk J., 2024, Predicting optical parameters of nanostructured optical fibers using machine learning algorithms, Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol. 132, art. 107921, 10.1016/j.engappai.2024.107921
- Longobucco M., Tai L.X.T., Nguyen V.H., Cimek J., Pałuba B., Buczyński R. and Trippenbach M., 2024, PT -symmetry breaking in dual-core phosphate-glass photonic crystal fibers, Optics Express, vol. 32(2), 1562-1575, 10.1364/OE.505927
- Napiórkowski M., Kasztelanic R., Buczynski R., 2024, Optimization of spatial mode separation in few-mode nanostructured fibers with generative inverse design networks, Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol. 133 part A, art. 107955, 10.1016/j.engappai.2024.107955