Κοίλες Οπτικές Ίνες 

Από το περιοδικό Nature, Δεκέμβριος 2002

Η επινόηση του λέιζερ και η ανάπτυξη των οπτικών ινών έχουν φέρει επανάσταση στις τηλεπικοινωνίες, επιτρέποντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε αποστάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων στον πλανήτη, με την ταχύτητα του φωτός. Για να ικανοποιηθούν οι σύγχρονες απαιτήσεις για ολοένα και αυξανόμενο εύρος ζώνης, υπάρχει ένα ενδιαφέρον στην αύξηση της πυκνότητας πληροφορίας που μπορεί να μεταφερθεί μέσα από μια οπτική ίνα. Ένας τρόπος επίτευξης του σκοπού αυτού είναι η επέκταση του φάσματος των οπτικών μηκών κύματος που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση της πληροφορίας.

Ατυχώς, εξαιτίας του γεγονότος ότι το γυαλί από το οποίο κατασκευάζονται οι συνήθεις οπτικές ίνες, είναι διαφανές μόνο σε ορισμένες περιοχές μηκών κύματος, η παραπάνω προσέγγιση του θέματος έχει ισχυρούς περιορισμούς. Σε μια πρόσφατη όμως εργασία τους στο περιοδικό Nature ο Burak Temelkuran και οι συνεργάτες του, αναφέρουν ένα τρόπο ξεπεράσματος της δυσκολίας αυτής, με τη μετάδοση φωτός, όχι μέσα από γυαλί αλλά μέσα από τον αέρα εντός μιας κοίλης οπτικής ίνας.

Σε μια συμβατική οπτική ίνα, το φως οδηγείται με συνεχείς ολικές ανακλάσεις που συμβαίνουν στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ ενός υλικού με υψηλό δείκτη διάθλασης, που βρίσκεται στον πυρήνα της ίνας και ενός υλικού με μικρό δείκτη διάθλασης που περιβάλλει τον πυρήνα. Η διαφορά στους δείκτες διάθλασης μεταξύ του πυρήνα και της επικάλυψής του είναι κρίσιμη για τα χαρακτηριστικά της διαβιβαστικής ικανότητας της οπτικής ίνας. Προκειμένου να εξασφαλίσουμε τον περιορισμό του φωτός εντός του πυρήνα, η διαφορά των δεικτών διάθλασης των δύο υλικών πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη. Αν υποτεθεί ότι το κάλυμμα του πυρήνα είχε μεγαλύτερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα, η όδευση του φωτός κατά μήκος του πυρήνα δεν θα ήταν δυνατή αφού δεν θα συνέβαινε ολική εσωτερική ανάκλαση.   
Με την πρώτη ματιά, η ιδέα της μετάδοσης του φωτός από το κεντρικό κοίλο τμήμα μιας οπτικής ίνας μοιάζει αδύνατη, αφού ο δείκτης διάθλασης του αέρα είναι  μικρότερος από κάθε άλλο μέσο εκτός του απόλυτου κενού. Αλλά η κοίλη οπτική ίνα που κατασκευάστηκε από τον Temelkuran και την ομάδα του δεν είναι κυριολεκτικά κοίλη. Για να περιοριστεί το φως εντός του αέρα που γεμίζει τον πυρήνα, εισήγαγαν στο εσωτερικό της οπτικής ίνας και κατά μήκος του άξονά της ένα διηλεκτρικό υλικό με πολλαπλά στρώματα υψηλής ανακλαστικής ικανότητας, που λειτουργεί ως κάτοπτρο. Αυτό επιτρέπει στις ίνες να διαδίδουν κατά μήκος τους φως από λέιζερ CO₂  με μήκος κύματος περίπου 10,6 μm. Οι απώλειες είναι κατά μια τάξη μεγέθους μικρότερες από τις  καλύτερες οπτικές ίνες με συμπαγή πυρήνα. 

Οι ίνες κατασκευάστηκαν με μια αρχική επίστρωση ενός στρώματος γυαλιού από As₂Se₃ πάχους 5-10μm με δείκτη διάθλασης περίπου 2,8 πάνω σε στρώμα πλαστικού θερμοπολυμερούς (PES), πάχους 25-5 μm με δείκτη διάθλασης περίπου 1,55. Τα δύο αυτά τυλίχτηκαν στη συνέχεια αρκετές φορές ώστε να σχηματίσουν ένα κάτοπτρο με πολλά στρώματα και στη συνέχεια περιτυλίχτηκαν με ένα ακόμα παχύ στρώμα από PES, για να δώσουν την αρχική μορφή της ίνας. Το αρχικό υλικό δηλαδή του οποίου η  μακροσκοπική δομή καθορίζει την μικροσκοπική δομή των ινών που φτιάχνονται από το υλικό αυτό. Στη συνέχεια οπτικές ίνες με μήκος δεκάδων και εκατοντάδων μέτρων φτιάχνονται από το υλικό αυτό με τρόπο ίδιο με αυτόν που φτιάχνονται οι συνηθισμένες συμπαγείς ίνες από γυαλί.  

Επειδή τα οπτικά χαρακτηριστικά αυτών των ινών δεν καθορίζονται από τις ιδιότητες της συνολικής μάζας του υλικού (όπως στις συμπαγείς οπτικές ίνες) αλλά από τις ιδιότητες των πολυστρωματικών κατόπτρων, μπορεί να επιτευχθεί πολύ μεγαλύτερος σχεδιαστικός έλεγχος επάνω στα οπτικά χαρακτηριστικά τους.  Με κατάλληλη επιλογή της δομής των κατόπτρων, το παράθυρο του φάσματος που μπορούν να μεταδώσουν επεκτείνεται από τα 0,75μm έως τα 10,6μm. Κάτι τέτοιο αποτελεί ένα μεγάλο ποσοστό του φάσματος του υπεριώδους. 

Πέρα από τις οπτικές ιδιότητες αυτών των οπτικών ινών, υπάρχου και άλλα πλεονεκτήματά τους, που σχετίζονται με την παραγωγή και τη χρήση τους. Για παράδειγμα οπτικές ίνες από πλαστικό πλεονεκτούν σε σχέση με αυτές από γυαλί. Έχουν μεγαλύτερη ευκαμψία, μεγαλύτερη ευκολία στην κατεργασία και χαμηλότερο κόστος υλικού. Αλλά η υψηλή απορρόφηση του πλαστικού, κάνει τέτοιες ίνες ακατάλληλες για μετάδοση φωτός σε μεγάλες αποστάσεις.