Brytyjscy naukowcy opracowali technologię, która wykorzystuje światło ultrafioletowe do przesyłania informacji w niezwykle krótkich impulsach. Nie jest to jednak kolejny przełom, który pozostanie zamknięty w laboratorium, bo wszystko wskazuje na to, że tym razem skalowalność i koszty produkcji mogą być odpowiednio niskie. Kluczem do sukcesu okazało się połączenie dwóch elementów – ultraszybkiego źródła światła UV-C oraz nowej generacji detektorów. Takim sposobem zespół z Uniwersytetu Nottingham i Imperial College London stworzył system zdolny generować i wykrywać impulsy laserowe trwające mniej niż bilionową część sekundy. Jest to zresztą pierwsza na świecie platforma łącząca oba te komponenty w spójną całość, co może otworzyć drogę do zupełnie nowych zastosowań.
Co wnosi do segmentu komunikacji wykorzystanie światła ultrafioletowego?
Na co dzień przyzwyczailiśmy się do tego, że szybka łączność oznacza albo gęstą sieć nadajników, albo bezpośrednie przewodowe połączenie np. światłowodem, którego trzeba doprowadzić dokładnie tam, gdzie mają popłynąć dane. Wystarczy jednak byle ściana, zakręt korytarza albo zakurzony szyb wentylacyjny, by sygnał radiowy osłabł, odbił się lub zniknął w szumie. Z ultrafioletem jest inaczej, bo w paśmie UV-C powietrze przestaje być tylko przezroczystym medium, a zaczyna zachowywać się jak aktywny element całego systemu komunikacji.
Na tym właśnie pomyśle opiera się nowe osiągnięcie brytyjskich naukowców. Zamiast próbować jeszcze mocniej przepchnąć fale radiowe i wycisnąć z nich ostatnie megaherce, sięgnęli oni po ekstremalnie krótkie impulsy światła UV-C, które są rozsyłane w przestrzeni niczym drobiny kurzu w snopie latarki. W połączeniu z nową klasą detektorów z ultracienkich półprzewodników daje to coś więcej niż kolejny rekord laboratoryjny – zalążek praktycznego systemu, który może działać tam, gdzie klasyczne łącza optyczne i radiowe przestają być użyteczne.
Rekordowa wydajność konwersji energii. Sercem systemu jest laser femtosekundowy
Podstawą działania całego układu jest proces generowania tzw. czwartej harmonicznej z lasera o długości fali 1024 nanometrów. Maksymalna wydajność tego procesu sięga 20%, co według badaczy jest najlepszym wynikiem dotąd opublikowanym dla tej konfiguracji. W praktyce oznacza to, że system wytwarza impulsy UV-C o energii do 2,38 mikrodżuli, a czas ich trwania to zaledwie 243 femtosekundy. Jest to niewyobrażalnie krótko, bo w ramach porównania możemy powiedzieć, że femtosekunda do sekundy ma się tak, jak sekunda do 31,7 miliona lat.
Aby osiągnąć tak wysoką sprawność, naukowcy zastosowali starannie dobrane nieliniowe procesy optyczne w specjalnych kryształach. Technika kaskadowego generowania drugiej harmonicznej pozwala przekształcić promieniowanie z bliskiej podczerwieni w ultrafiolet przy minimalnych stratach. Stanowi to istotny postęp w stosunku do dotychczasowych rozwiązań, takich jak lasery ekscimerowe czy diody AlGaN, które często są duże, energochłonne i do tego zapewniają tylko ograniczoną moc.
Innowacyjne detektory z półprzewodników dwuwymiarowych
Równie ważnym elementem układu są czujniki. Zamiast korzystać z tradycyjnych materiałów, badacze sięgnęli po selenek galu oraz jego warstwę tlenkową. Te niezwykle cienkie, dwuwymiarowe półprzewodniki wykazują niebywałą chłonność w zakresie UV-C, bo ich współczynnik absorpcji przekracza 100 tysięcy odwrotnych centymetrów dla fal krótszych niż 265 nanometrów. Co istotne, materiały te można produkować masowo, a to akurat jest kluczowe dla ewentualnej komercjalizacji.
Czujnik oparty na czystym selenku galu działa w przewidywalny, liniowy sposób, co czyni go niezawodnym narzędziem pomiarowym. Bardziej zaskakujące właściwości wykazuje jednak sensor GaO na podłożu z grafenu i węglika krzemu. Charakteryzuje się on bowiem superliniową odpowiedzią ze współczynnikiem mocy 1,3, co oznacza, że jego czułość rośnie szybciej niż moc padającego światła. To akurat ciekawe zjawisko wynika z efektów fototermionicznych oraz dynamicznego zapełniania stanów defektowych w strukturze materiału. Obydwa typy detektorów pracują w temperaturze pokojowej, dzięki czemu nie wymagają skomplikowanego i drogiego systemu chłodzenia.
Udana demonstracja komunikacji w wolnej przestrzeni. Impulsy UV-C niosą zakodowaną informację
Nie byłoby to pełne osiągnięcie, gdyby nowych komponentów nie udało się ze sobą zintegrować. Zespół badawczy przeprowadził akurat udaną demonstrację, kodując dane w laserze UV-C i odczytując je następnie za pomocą półprzewodnikowego sensora 2D. Stanowi to pierwszy w historii przypadek połączenia generowania femtosekundowych impulsów UV-C z ich równie szybką detekcją przy użyciu dwuwymiarowych materiałów. Ta kompatybilność między źródłem a odbiornikiem jest fundamentem dla budowy zwartych, monolitycznych platform fotonicznych.
Czytaj też: Koniec ze stratami ciepła. Supermagazyn ciepła z morza i talerza
Przewagą tej technologii nad istniejącymi rozwiązaniami jest jej potencjalna przystępność. Wszystkie użyte materiały i procesy są bowiem kompatybilne ze skalowalnymi metodami produkcji, znanymi z przemysłu półprzewodnikowego. Jest to akurat ważna zaleta, ponieważ wiele obecnych systemów UV-C pozostaje zbyt kosztownych lub złożonych, by wyjść poza niszowe zastosowania laboratoryjne.
Czy to rzeczywiście rewolucja połączeń bezprzewodowych?
Warto przy tym podkreślić, że w obecnej formie mówimy wciąż o łączu typowo laboratoryjnym, z precyzyjnie wyrównaną optyką, kontrolowaną odległością i dobrze zdefiniowanym torem propagacji wiązki. Najważniejsze wnioski nie dotyczą jednak konkretnych parametrów zasięgu czy przepustowości, lecz samej fizycznej możliwości zbudowania takiego toru komunikacyjnego. Udaje się jednocześnie wygenerować ultrakrótkie impulsy w paśmie UV-C, utrzymać wysoką sprawność konwersji energii oraz wykryć pojedyncze błyski za pomocą cienkowarstwowego sensora działającego w temperaturze pokojowej. Tego typu kompletność układu odróżnia omawiane rozwiązanie od wcześniejszych, znacznie bardziej wyspecjalizowanych demonstracji.
Dla inżynierów sieciowych i projektantów systemów ważna jest jeszcze jedna rzecz: charakter samego medium. Światło UV-C silnie rozprasza się w powietrzu, ale jednocześnie szybko jest w nim pochłaniane. W praktyce oznacza to, że zasięg pojedynczego łącza będzie ograniczony, a do tego sygnał trudniej będzie przechwycić z dużej odległości. Stanowi to odwrotność klasycznych sieci radiowych, które są projektowane z myślą o jak najdłuższym zasięgu. Tutaj priorytetem może być raczej komunikacja lokalna, odporna na podsłuch i dobrze sprawdzająca się w gęsto zabudowanym środowisku, bo na przykład między robotami magazynowymi, dronami działającymi w jednej strefie czy czujnikami rozlokowanymi w zakładzie przemysłowym.
Ten sposób patrzenia na ultrafioletowe łącza przesuwa akcent z bicia rekordów prędkości na ich charakter jako medium. Nie jest to technologia, która ma zastąpić globalne szkieletowe sieci światłowodowe, lecz raczej narzędzie do budowania wyspecjalizowanych, lokalnych kanałów wymiany informacji, tam gdzie liczy się szybkość reakcji, brak bezpośredniej linii wzroku i możliwość upakowania dużej liczby niezależnych łącz w jednym, skomplikowanym geometrycznie środowisku.
Szerokie zastosowania w nauce i przemyśle. Od robotów po monitorowanie atmosfery
Gdzie więc można byłoby wykorzystać taki system? Potencjalnych obszarów jest wiele. Jednym z najciekawszych jest komunikacja między autonomicznymi systemami, bo na przykład dronami czy robotami. Światło UV-C o długości fali 100-280 nanometrów silnie rozprasza się w atmosferze, co pozwala na przesyłanie danych nawet bez bezpośredniej linii wzroku, a to mogłoby umożliwić komunikację w gęsto zabudowanym terenie, wewnątrz budynków lub w innych trudnych środowiskach, gdzie tradycyjne łącza optyczne zawodzą lub są zbyt drogie do instalacji.
Czytaj też: Chiny znowu biją rekord świata. Tamtejsza wirówka sięga granic hipergrawitacji
Poza komunikacją, platforma mogłaby znaleźć zastosowanie w zaawansowanych technikach badawczych. Ultraszybka spektroskopia czy szerokopasmowe obrazowanie w skali femtosekundowej to dziedziny, które mogłyby skorzystać na kompaktowych i efektywnych źródłach UV-C. Światło tego typu jest już używane w mikroskopii superrozdzielczej, sterylizacji czy precyzyjnym przetwarzaniu materiałów, a nowa technologia mogłaby te zastosowania uczynić jeszcze bardziej dostępnymi.
Nie można też pominąć potencjału w monitorowaniu środowiska. Czułość nowych detektorów pozwalałaby na śledzenie ultraszybkich procesów chemicznych zachodzących w atmosferze, co mogłoby dostarczyć cennych danych dla nauki o klimacie. Oczywiście, od demonstracji w laboratorium do komercyjnego produktu droga jest daleka, ale skalowalność i niskie wymagania energetyczne nowej platformy budują solidne podstawy dla przyszłych wdrożeń.
Co dalej z ultrafioletową komunikacją?
Nowa platforma źródło-czujnik w paśmie UV-C oznacza więc, że oto dostaliśmy technologię, która nie konkuruje wprost z istniejącymi światłowodami i łączami radiowymi, lecz uzupełnia je tam, gdzie dotychczas radziły sobie bardzo słabo. Femtosekundowe impulsy ultrafioletu mogą stać się czymś w rodzaju lokalnego kanału specjalnego przeznaczenia, łączącego autonomiczne urządzenia, wspierającego badania naukowe czy precyzyjne procesy przemysłowe. Trzeba też pamiętać, że mowa o paśmie UV-C, które z jednej strony oferuje wyjątkowo ciekawe właściwości dla komunikacji i detekcji, z drugiej zaś wymaga ostrożności ze względu na potencjalny wpływ na materiały i organizmy żywe. Już dziś ultrafiolet tego typu jest bronią w walce z bakteriami i wirusami oraz narzędziem do modyfikacji powierzchni materiałów. W praktycznych wdrożeniach systemów komunikacji będzie więc trzeba pogodzić wymagania bezpieczeństwa, normy ekspozycji i ochronę infrastruktury z chęcią wykorzystania krótkiej fali jako kanału dla danych.
Czytaj też: Naukowcy szukają prawdy. Czy kropelka wody niszczy hipersoniczną potęgę?
Jeżeli jednak założenia badaczy się potwierdzą, to możliwy scenariusz jest bardzo konkretny. Zamiast jednego, uniwersalnego systemu łączności będziemy mieć cały wachlarz uzupełniających się rozwiązań: światłowód jako kręgosłup sieci, fale radiowe jako warstwa mobilna i ultrafioletowe łącza UV-C jako narzędzie do komunikacji tam, gdzie zasięg jest niewielki, przeszkód dużo, a czas reakcji jest liczony w bilionowych ułamkach sekundy.
Dlatego też nowa platforma źródło-czujnik UV-C bez wątpienia stanowi istotny krok w rozwoju fotoniki. Połączenie wysokiej wydajności, niezwykłej szybkości i sensorów działających w temperaturze pokojowej tworzy obiecującą podstawę dla kolejnej generacji urządzeń optycznych. Prace brytyjskiego zespołu wydają się szczególnie obiecujące właśnie ze względu na nacisk na skalowalność i kompatybilność z istniejącymi procesami. Jeśli te założenia się potwierdzą, być może już niedługo femtosekundowe impulsy ultrafioletu staną się częścią naszej technologicznej rzeczywistości.