Optická vlákna, která nebrzdí světlo

Klasická optická vlákna přenášejí světlo díky totálnímu vnitřnímu odrazu na rozhraní skleněného jádra a obalu. V optických vláknech s dutým jádrem se ale světlo šíří vzduchem nebo jiným plynem. Toto řešení otevírá cestu k přenosu světla na dříve nemyslitelných vlnových délkách a s výrazně nižším útlumem.

Když v roce 2011 publikoval Andrej D. Pryamikov článek o dutém optickém vláknu s osmi kapilárami rozmístěnými podél vnitřního obvodu, málokdo tušil, jaký směr nabere další vývoj. Ale již tato první práce naznačila, že půjde o něco výjimečného. Představila totiž antirezonanční křemenné optické vlákno s dutým jádrem, které vedlo světlo ve střední infračervené oblasti, na vlnové délce 3,8 μm, kde je křemenné sklo neprůhlednou zdí.

1. Vybraná antirezonanční optická vlákna s dutým jádrem připravená v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR ve skenovacím elektronovém mikroskopu. A. Revolverové optické vlákno s osmi kapilárami. Antirezonanční optické vlákno s vnořenými kapilárami (B) a s θ-kapilárami (C).

Snímky ÚFE AV ČR.

V té době se již optická vlákna etablovala pro přenos datových toků v internetu i v telekomunikacích. Využívalo se ale jen několik úzkých spektrálních oblastí s nízkým optickým útlumem, nejčastěji spektrální okno okolo vlnové délky 1,55 μm.

O dva roky později přišla zásadní inovace vnitřní struktury antirezonančních vláken s dutým jádrem. Kapiláry se přestaly navzájem dotýkat a každá byla spojená s pláštěm optického vlákna jen podél jedné linie. Navzdory tomu světlo nevytékalo mezi kapilárami z jádra rychleji a optický útlum se dokonce snížil. Pro podobnost se zásobníkem revolveru se pro ně ve slovanských jazycích rychle ujalo označení revolverová vlákna, zatímco v anglosaských zemích se zpravidla mluví o tubulárních vláknech, hypocykloidních vláknech nebo, zůstaneme-li u angličtiny, negative-curvature hollow-core fibres.

2. Francesco Poletti, autor optických vláken s vnořenými kapilárami, strhujícím způsobem podal příběh vynálezu optických vláken s dutým jádrem a rekordně nízkým útlumem ve své plenární přednášce na kongresu SPIE Optics + Optoelectronics v dubnu 2025 v Praze.

Snímek SPIE, ÚFE

O skutečný průlom se pak postaral Francesco Poletti (obr. 2). V laboratořích jeho týmu na Univerzitě v Southamptonu vzniklo v roce 2015 první vlákno s vnořenými kapilárami. Do každé z kapilár se vnořila ještě menší kapilára, podobně jako v matrjošce. Vlákno mělo daleko k dokonalosti a změřený optický útlum byl vysoký, ale numerické simulace provedené Polettiho týmem a nezávisle i Waltrem Belardim naznačovaly, že ve srovnání s jednoduchou revolverovou strukturou by mělo být možné vícenásobným vnořením kapilár snížit útlum o dva i více řádů. Následující léta probíhalo zdokonalování technologie tažení antirezonančních vláken s dutým jádrem a hledání jejich optimální struktury, zejména počtu kapilár, průměru jádra, průměrů kapilár a tloušťky jejich stěn.