Wenn Glas und Licht Funken sprühen

 

Optische Fasern finden in vielen Bereichen Anwendung: von der Telekommunikation bis hin zu medizinischen Sensoren. Im Jahr des Glases werfen wir einen Blick auf die Fortschritte in diesem Bereich, in dem die Wissenschaftler*innen ihre Kreativität verdoppeln, um den dünnen Glasfäden neue Eigenschaften zu verleihen.

Ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung zieht die Brillouin-Streuung immer noch Wissenschaftler*innen in ihren Bann, die sich mit Glasfasern beschäftigen. „Während Spektroskopiker versuchen, das Phänomen zu verherrlichen, wollen Forscher*innen, die im Bereich der Telekommunikation und an Hochleistungslasern arbeiten, um jeden Preis dampit abschließen, da die Streuung die über Glasfasern übertragene Leistung begrenzt“, fasst Jean-Charles Beugnot zusammen, der die Brillouin-Streuung selbst für die Entwicklung neuer Generationen von akustischen Sensoren nutzt. „Indem man Licht durch Glasfasern fließen lässt, deren Durchmesser um den Faktor 100 auf 1 Mikrometer (µm), also einen Millionstel Meter, reduziert wurde, kann man akustische Wellen nicht mehr nur in der Faser selbst, sondern um die Fasern herum erzeugen„, erklärt der Wissenschaftler. Langfristig könnte dieser sogenannte nichtlineare Effekt unter anderem dazu genutzt werden, die Verschmutzung im Grundwasser zu messen.

Erhöhung der Transportkapazität durch Multiplexing

Glasfaserkabel werden noch immer weitgehend mit dem Transport großer Informationsmengen über sehr große Entfernungen in Verbindung gebracht. Diese Leistung wurde in den 1970er Jahren durch die Entwicklung von CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) möglich. Diese Technik ermöglicht die Herstellung eines extrem reinen Siliziumdioxidstabs, der als „Vorform“ bezeichnet wird. Die aus dieser „Vorform“ hergestellten Singlemode-Glasfasern sind somit in der Lage, ein Lichtsignal über eine Entfernung von 100 km zu übertragen. Im Vergleich dazu kann sich das Licht in Glas, aus dem unsere Fenster bestehen, nicht weiter als 20 Meter ausbreiten. Der Datenfluss, den ein Glasfaserkabel bewältigen kann, ist zudem nicht mit dem eines Kupferdrahtes zu vergleichen. „Die maximale Kapazität einer Monomode-Glasfaser, die in einem transatlantischen Kabel verwendet wird, beträgt etwa 100 Terabit pro Sekunde (Tb/s) was der Übertragung von 500 Blu-ray-Discs pro Sekunde entspricht“, erklärt Laurent Bigot, CNRS-Forschungsleiter im Labor für Laser-, Atom- und Molekularphysik.( (Phlam).

Doch mit dem exponentiellen Wachstum der Internetnutzung könnten diese Datenautobahnen, die die Telekommunikationskabel unter Wasser oder an Land darstellen, bald an ihre Grenzen stoßen. Um dieses Risiko zu begrenzen, entwickeln der Wissenschaftler und sein Team seit zehn Jahren eine neue Generation von Mehrkanalfasern in Partnerschaft mit dem Unternehmen Draka, einer Tochtergesellschaft des italienischen Konzerns Prysmian und Weltmarktführer für Telekommunikationskabel.

„Durch die Nutzung des räumlichen Multiplexings, bei dem die Anzahl der optischen Pfade in einem Glasvolumen, das dem einer Singlemode-Faser entspricht, erhöht wird, ist es möglich, die Lichtübertragungskapazität um das Hundertfache zu steigern„, betont der Forscher, der sich auf die Plattform FiberTech Lille stützte, die am Forschungsinstitut für Software- und Hardwarekomponenten für fortgeschrittene Information und Kommunikation (Ircica) angesiedelt ist, um die Entwicklung dieser innovativen Fasern zu beschleunigen.

Über dieselbe Technologieplattform, die die Verbindung zwischen Industrie und Forschung erleichtern soll, bemüht sich das Team von Laurent Bigot ferner darum, neue Anwendungen im Bereich der Photonik hervorzubringen. Die Arbeit mit dem Start-up-Unternehmen Lightcore Technologies, das 2019 von Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen des Fresnel-Instituts, des Forschungsinstituts XLim in Limoges und des Phlam-Labors gegründet wurde, zielt beispielsweise auf die Entwicklung der nächsten Generation von Endoskopen ab: „Es geht darum, ausgehend von Hohlkernfasern, die an ihrem Ende mit einer Siliziumdioxidkugel ausgestattet sind, die als Linse dient, eine möglichst wenig invasive biomedizinische Bildgebungstechnik zu entwickeln„, erklärt Laurent Bigot. Durch die Injektion eines gepulsten Laserstrahls in den Kern einer dieser Fasern, die zuvor dicht an ein Organ oder an lebende Zellen herangebracht wurden, könnte die Früherkennung bestimmter Krebserkrankungen bald Realität werden.

Die Forschung bündeln, um Innovationen zu fördern.

Diese Art der Zusammenarbeit, bei der mehrere Laboratorien an ein und demselben Projekt arbeiten, ist eine der Besonderheiten der französischen Glasfaserforschung und eine ihrer größten Stärken. Auf nationaler Ebene sind die akademischen Teams, die an der Entwicklung und Herstellung innovativer Fasern beteiligt sind, in der wissenschaftlichen Interessengruppe (Gis) Grifon (Groupement d’initiatives pour les fibres optiques nouvelles) zusammengeschlossen. „Dank der Treffen, die die Gis Grifon einmal im Jahr organisiert, kann sich unsere Gemeinschaft über die laufenden Entwicklungen und die in den verschiedenen Forschungszentren zur Verfügung stehenden technologischen Instrumente auf dem Laufenden halten. Durch die Förderung des Wettbewerbs zwischen den Laboren begünstigt diese Gis auch die Durchführung gemeinsamer Forschungsarbeiten, die oft der erste Schritt zu ehrgeizigeren Kooperationsprojekten sind“, erklärt Laurent Bigot, dessen Labor zusammen mit dem Institut de physique de Nice (Inphyni) und dem XLim die Initiative zu dieser wissenschaftlichen Interessenvereinigung ergriffen hat.

Im Laufe der Zeit haben die an der Entwicklung neuer optischer Fasern (kristalline, mikrostrukturierte, aus Oxidglas, Fluorid oder Chalkogenid hergestellte Fasern etc.) beteiligten Forscher*innen auch enge Beziehungen zu den nationalen Industrieunternehmen im Bereich Telekommunikation und Lasersysteme geknüpft. „Diese enge Beziehung zwischen der akademischen Welt und den Unternehmen trägt dazu bei, gezielter die Themen der Grundlagenforschung zu ermitteln, die bei zukünftigen technologischen Entwicklungen in Industrieunternehmen umgesetzt werden können“, versichert Wilfried Blanc, CNRS-Forschungsleiter am Inphyni. In diesem Labor arbeitet der Physiker an einem neuen Konzept für optische Fasern, die Nanopartikel enthalten. Diese Innovation hat erst kürzlich gezeigt, dass sie neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Sensoren bieten kann. „Transparenz war das Leitmotiv bei der Entwicklung von Glasfasern. Wir gehen hier den umgekehrten Weg, indem wir die durch die Anwesenheit von Nanopartikeln induzierte Lichtstreuung ausnutzen“ so Wilfried Blanc.

Die thermische Chirurgie ist ein vielversprechendes Anwendungsgebiet für optische Fasern auf Nanopartikelbasis.

Die von dem Forscher entworfenen nanostrukturierten optischen Fasern könnten zur Messung von Temperaturschwankungen, Belastungen oder Bestrahlungen mit ionisierenden Strahlen verwendet werden. Eine solche Faser könnte beispielsweise entlang einer Subkutannadel verlegt werden, um den Injektionsbereich einer Epiduralanästhesie genauer zu bestimmen und so die Wirksamkeit des Anästhetikums zu erhöhen. Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsgebiet für Glasfasern aus Nanopartikeln ist die thermische Chirurgie.

Bei dieser hochmodernen chirurgischen Methode wird die Temperatur von krankem Gewebe, wie z. B. einem Tumor, erhöht, um es zu zerstören. „Durch die Verwendung dieser Art von Glasfaser ist es möglich, die Temperatur genau festzulegen und so das Risiko einer übermäßigen Hitzeexposition des umliegenden gesunden Gewebes zu begrenzen„, sagt Wilfried Blanc.

Auf Infrarot setzen, um die Anwendungen zu erweitern

Die Bretagne zählt zu den französischen Hochburgen der Photonik und verfügt über mehrere Forschungslabore und -gruppen, die bei der Herstellung von Glasfasern der neuen Generation führend sind. So zum Beispiel das Team „verres et céramiques“ des Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR), das seit den 1990er Jahren optische Fasern aus Chalkogenidgläsern herstellt. Da diese Gläser chemische Elemente aus der Familie der Chalkogene wie Schwefel, Selen oder Tellur enthalten, können sie Infrarotstrahlung bis zu einer Wellenlänge von 20 µm übertragen. „Die Herstellung von optischen Fasern aus Chalkogenidgläsern ist ein heikler Prozess, da er eine Vorform ohne jegliche Kontamination voraussetzt, die unter anderem durch eine Reihe von Reinigungsschritten erreicht wird„, erklärt Catherine Boussard-Plédel, Forschungsingenieurin des CNRS am ISCR. Die ersten Forschungsarbeiten dieser Spezialistin für Chalkogenidgläser, die sich auf die Spektroskopie mit evaneszenten Wellen im mittleren Infrarotbereich konzentrierten, führten 2011 zur Gründung des Start-up-Unternehmens Diafir.

Die von diesem Unternehmen entwickelten medizinischen Sensoren können anhand nur eines Tropfens Blut ermitteln, ob ein Mensch an nichtalkoholischer Steatohepatitis (Fettleber-Hepatitis) leidet, einer Lebererkrankung, deren Früherkennung noch immer sehr schwierig ist. Bei der Analyse der Synovialflüssigkeit können die gleichen Sensoren bereits jetzt innerhalb weniger Minuten das Risiko einer Knochen- und Gelenkinfektion abschätzen.

Chalkogenidglasfasern bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten: medizinische Sensoren, Nachweis von Bakterien in Lebensmitteln, Überwachung von Schadstoffkonzentrationen, Erforschung der Atmosphäre von Exoplaneten usw.

„Diese Diagnoseinstrumente nutzen die Spektroskopie mit evaneszenten Wellen, um das Infrarot-Signal einer Vielzahl von Molekülen in Echtzeit und durch einfachen Kontakt mit der zu analysierenden Substanz aufzuzeichnen„, erläutert Catherine Boussard-Plédel.

Vor knapp einem Jahr begannen die ISCR-Wissenschaftlerin und ihr Team auch eine Zusammenarbeit mit Jean-Marie Tarascon, Professor am Collège de France und weltbekannter Forscher auf dem Gebiet der Energiespeicherung. Ziel dieses neuen Projekts ist es, die chemischen Phänomene, die beim Betrieb von Batterien auftreten, in situ zu überwachen, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batterien zu verbessern. „Um die chemischen Vorgänge in der Batterie während ihres Betriebs beobachten zu können, haben wir uns für faseroptische Sensoren aus Chalkogenidglas entschieden, die von einem Laser gespeist werden“, erklärt die Forscherin aus Rennes. „Diese Art von Sensor ermöglicht es, die dynamische Entwicklung der Elektrolyte und die Art der Produkte, die aus ihrer Zersetzung entstehen, in Echtzeit zu erfassen.„

Integrierte Mikrosensoren zur Verfolgung der Wasserverschmutzung

Etwa 100 km nördlich von Rennes nutzt das Institut Fonctions optiques pour les technologies de l’information (Foton) in Lannion ebenfalls Chalkogenidgläser, allerdings in Form von Dünnschichten. Diese mikroskopischen Strukturen, die in den Räumlichkeiten des ISCR geformt werden, sind für Anwendungen in der integrierten Optik bestimmt. Diese nutzt ähnliche Technologien wie die Mikroelektronik, um sehr kleine optische Komponenten herzustellen.

Im Rahmen eines neuen ANR-Projekts, das von Virginie Nazabal, CNRS-Forschungsleiterin am ISCR, in Zusammenarbeit mit dem BRGM (Organisation für Geologie und Bergbauforschung) und dem Ifremer (französisches Forschungsinstitut zur Nutzung der Meere) durchgeführt wird, hat das Foton-Institut mit der Entwicklung optischer Mikrosensoren für die In-situ-Überwachung der Qualität von Süß- und Salzwasser begonnen. „Das setzt die Entwicklung eines kompakten und tragbaren Geräts voraus, das den Sensor, der aus einem integrierten Wellenleiter aus Chalkogenidglas besteht, und eine Laserquelle mit Quantenkaskade enthält, die im mittleren Infrarotbereich sendet„, erklärt Joël Charrier, Dozent am Foton-Institut.

Um diese Herausforderung zu meistern, wird sich der Forscher auf das Centre commun lannionnais d’optique (CCLO) stützen können, eine Technologieplattform des Foton-Instituts, die ganz der Herstellung und Charakterisierung integrierter optischer Schaltkreise gewidmet ist. Sobald es einsatzbereit ist, wird dieses miniaturisierte Nachweisgerät in der Lage sein, eine breite Palette von Wasserschadstoffen zu identifizieren, die von flüchtigen organischen Verbindungen über Nitrate bis hin zu polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen reicht. „Da die Hauptabsorptionsbanden der Wasserschadstoffe im mittleren Infrarotbereich liegen, werden fast alle diese Substanzen von unseren optischen Sensoren erfasst werden können“, schließt Joël Charrier.

Weitere Informationen: Das Jahr des Glases

Quelle: CNRS

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