Newsy

Polscy naukowcy szukają nowych zastosowań światłowodów. Skonstruowali już unikatowy w skali świata sejsmograf rotacyjny i pracują nad liniami odpornymi na podsłuchy

2021-08-05  |  06:30
Mówi:dr inż. Paweł Marć, kierownik Zakładu Technicznych Zastosowań Fizyki, Wydział Nowych Technologii i Chemii Wojskowa Akademia Techniczna
prof. dr hab. inż. Leszek R. Jaroszewicz, czł. koresp. PAN, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Wojskowa Akademia Techniczna

Coraz popularniejszy w Polsce światłowód w klasycznym zastosowaniu pozwala przesyłać dane z ogromną prędkością i zapewnia superszybki dostęp do internetu. Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej szukają jednak innych, nietelekomunikacyjnych zastosowań włókien optycznych. Efektem ich prac jest już jeden z dwóch istniejących na świecie światłowodowych sejsmografów rotacyjnych, który pozwala badać zjawiska sejsmiczne towarzyszące trzęsieniom ziemi, rejestrować ruchy rotacyjne wysokich budowli i przewidywać tąpnięcia w kopalniach. Z myślą o administracji rządowej badacze rozwijają też metody kodowania binarnego, które pozwolą zabezpieczyć światłowody przed podsłuchami z zewnątrz.

 Informacje w światłowodzie są przesyłane w postaci kodowanych impulsów światła. Pojedyncze włókno światłowodowe, które pozwala nam transmitować to światło przez ocean, ma już w tej chwili pojemność liczoną w petabitach na sekundę. To są wielkości niewyobrażalne dla zwykłego człowieka. Dla przykładu UE chciała, żeby do 2020 roku każdy z jej obywateli miał dostęp do internetu szerokopasmowego o prędkości 1 gigabita na sekundę. Pojemność włókna przesyłającego światło za ocean jest już milion razy większa – tłumaczy w rozmowie z agencją informacyjną Newseria dr inż. Paweł Marć, kierownik Zakładu Technicznych Zastosowań Fizyki na Wydziale Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej.

W klasycznym zastosowaniu światłowód zapewnia superszybki dostęp do internetu. Według raportu Urzędu Komunikacji Elektronicznej światłowody należą do najszybciej rozwijających się technologii dostępowych. Tylko w 2020 roku w Polsce przybyło 25 tys. km sieci światłowodowej, a liczba użytkowników internetu dostarczanego za pomocą FTTH (z ang. światłowód do domu) wzrosła o 36 proc. (w ciągu ostatnich dwóch lat o 71 proc.).

Podobnie jak w przypadku łącza bazującego na tradycyjnych miedzianych kablach również w przypadku światłowodu sygnał jest przesyłany za pomocą zer i jedynek, ale zamiast sygnału elektrycznego jest to fala światła z zakresu podczerwieni (niewidzialna dla wzroku).

– Informacja w światłowodzie jest przesyłana w sposób cyfrowy, to znaczy, że światło jest zakodowane, a każda informacja jest zamieniona na ciąg zer i jedynek i przesyłana z olbrzymią szybkością. Z drugiej strony znajduje się urządzenie elektroniczne, które przetwarza to na zmiany natężenia prądu i odczytuje tę informację. I to jest właśnie przesył cyfrowy – wyjaśnia prof. dr hab. inż. Leszek R. Jaroszewicz z Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej, członek korespondent PAN.

Przewód światłowodowy składa się z płaszcza, wewnątrz którego jest rdzeń wykonany najczęściej z kwarcu, oraz zewnętrznej warstwy ochronnej, pokrytej polimerową powłoką. Taka konstrukcja ma zapewnić, że światło, przewodzące zapisaną cyfrowo informację, będzie nieczułe na wszelkie zewnętrzne zaburzenia podczas wielokilometrowej transmisji i wzdłuż niezwykle krętej drogi.

 Światłowód nie wyczerpał jeszcze swoich możliwości. Nieustannie testowane są nowe technologie wytwarzania bardzo skomplikowanych struktur antyrezonansowych, struktur z rdzeniem powietrznym, które można zastosować jako ekwiwalenty dla standardowych włókien światłowodowych. Sam pojedynczy światłowód wciąż ma też wystarczającą pojemność informacyjną do tego, żebyśmy mogli komunikować się ze sobą w czasie rzeczywistym czy prowadzić streaming wideo nawet w pakietach 4K – wskazuje dr inż. Paweł Marć.

Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej pracują też nad nietelekomunikacyjnymi zastosowaniami światłowodów. Wykorzystują włókna optyczne – a szerzej mówiąc, fotonikę światłowodową – głównie jako czujniki do pomiaru zewnętrznych pól fizycznych (temperatury, naprężenia, wilgotności etc.), chemicznych, a nawet biologicznych. Każde takie rozwiązanie wymaga jednak „uczulenia” włókna światłowodowego na dane czynniki. W tym celu naukowcy modyfikują budowę włókien i strukturę ich pokrycia (np. poprzez odpowiednie warstwy metaliczne, polimerowe, grafenowe). To w połączeniu z zaawansowanymi technikami detekcji umożliwia wykrywanie wybranych czynników z bardzo duża precyzją.

Jednym z takich nietelekomunikacyjnych zastosowań światłowodu, opracowanym przez badaczy z WAT, jest detekcja drgań rotacyjnych. Pozwala ona badać zjawiska sejsmiczne towarzyszące trzęsieniom ziemi, rejestrować ruchy rotacyjne wysokich budowli czy też przewidywać tąpnięcia w kopalniach, których skutki mogą być katastrofalne.

– Trzęsienia ziemi i tąpnięcia w kopalniach można mierzyć za pomocą tradycyjnych sejsmometrów. Natomiast w układach światłowodowych szukamy też możliwości odbioru rotacyjnych składowych takiego trzęsienia ziemi. W przypadku takiego zjawiska – poza tym, że grunt drga fizycznie – może też występować skręcenie płaszczyzny, w której to drganie się odbywa. I tutaj wykorzystujemy interferometr w bardzo specyficznej konfiguracji optycznej. Mamy nadzieję, że ten sposób pomiaru się ugruntuje – mówi kierownik Zakładu Technicznych Zastosowań Fizyki na Wydziale Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej.

– W podobny sposób przewiduje się także tąpnięcia w kopalniach, czyli osunięcie, zawalenie się części korytarza. Kiedy ono występuje, to w innych miejscach pojawiają się naprężenia, od których rozchodzą się drgania. Te drgania mają podobną charakterystykę jak drgania trzęsień ziemi. Można powiedzieć, że tąpnięcia w kopalniach to takie lokalne, bliskie trzęsienia ziemi – dodaje prof. Leszek Jaroszewicz.

Efektem pracy naukowców z WAT jest światłowodowy sejsmograf rotacyjny. To jedno z zaledwie dwóch takich urządzeń na świecie.

– Drugie wytwarza firma iXblue z Francji – mówi członek korespondent PAN. – Natomiast w Polsce jeden z tych sejsmografów znajduje się obecnie w podziemiach zamku Książ, w Obserwatorium Sejsmologicznym Polskiej Akademii Nauk. Niestety wycieczki turystyczne po zamku powodują, że nasze badania mogą być prowadzone tylko w nocy. Druga lokalizacja to Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, którego stanowiska badawcze pozwalają na monitorowanie zaburzeń występujących w śląskim regionie górniczym.

Na bazie włókien światłowodowych polskim badaczom udało się skonstruować też m.in. platformę czujnikową do pomiaru mikroustrojów biologicznych, generator wirów optycznych dla potrzeb komputerów kwantowych i system pomiaru niebezpiecznych związków w powietrzu (w tym np. środków bojowych). Jednym z ostatnich rozwiązań – rozwijanych z myślą o administracji rządowej – jest z kolei kodowanie binarne dla zabezpieczeń antypodsłuchowych linii transmisyjnych.

– Od wielu lat rozwijana jest technika kodowania informacji po stronie nadawcy i odbiorcy. Tym, którzy chcą nas podsłuchać i przeprowadzają np. ataki komputerowe, staramy się to matematycznie utrudnić. Natomiast sam światłowód nie jest chroniony. A zatem wiedząc, który światłowód będzie wykorzystywany przez nadawcę i odbiorcę, można mechanicznie uzyskać do niego dostęp, a następnie odebrać część sygnału, analizować ten sygnał optycznie i elektronicznie, a w końcu rozkodować przesyłaną informację. My natomiast budujemy układ optoelektroniczny, który wykorzystamy do tego, aby przeciwdziałać tego typu atakom, bo teraz nie jesteśmy nawet w stanie ich wykryć – zapowiada dr inż. Paweł Marć.

Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej byli gośćmi nowego formatu spotkań Good Morning Science w ramach inicjatywy klubu Trend House, założonego przez Fundację Venture Café Warsaw. Misją klubu jest łączenie innowatorów i rozwiązywanie ważnych problemów społecznych, ekonomicznych i technologicznych. Trend House obecnie liczy ponad 160 członków, w tym osobistości ze świata nauki, biznesu i ekosystemu innowacji. 

Czytaj także

Więcej ważnych informacji

Media i PR

W Warszawie powstało największe i najnowocześniejsze centrum prasowe w Polsce. Ma pomóc w rozwoju ekosystemu innowacji

Od października rozpoczęło działalność największe centrum prasowe w Polsce. Fundacja Venture Café Warsaw wspólnie z agencją informacyjną Newseria otworzyły Centrum Prasowe Newseria. Innowacyjne centrum komunikacji – zlokalizowane przy ulicy Chmielnej w biurowcu Varso – ma być odpowiedzią na rosnący popyt na tego rodzaju usługi. Będą w nim organizowane konferencje, śniadania prasowe i debaty. Centrum umożliwia streaming, także w wersji hybrydowej, i system tłumaczenia symultanicznego. W przyszłości powstanie tu także wirtualne studio.

Polityka

Samorządy łączą siły w walce przeciw Polskiemu Ładowi. Straty w budżetach mogą się odbić na usługach dla mieszkańców

 Jako samorządy nie mamy nic przeciwko temu, żeby nasi mieszkańcy płacili mniej podatków, ale oczekujemy w związku z tym rekompensaty, bo my z tych podatków również utrzymujemy inne usługi publiczne – mówi Michał Olszewski, wiceprezydent miasta stołecznego Warszawy. Jak wyliczyło Ministerstwo Finansów, na planowanych zmianach podatkowych samorządy stracą 145 mld zł w ciągu dekady. Razem z obniżką podatków wprowadzoną w 2019 roku straty przekraczają 200 mld zł. Z kolei proponowane przez rząd rekompensaty opiewają na 48 mld zł. Samorządowcy, którzy w środę w Warszawie protestowali przeciw wprowadzanym zmianom, przestrzegają, że odbiją się one na mieszkańcach.

Zdrowie

Szczepienia wśród młodych ludzi będą kluczowe dla przebiegu czwartej fali COVID-19. To oni stanowią największe ryzyko przenoszenia wirusa

– Czwarta fala pandemii koronawirusa ma wiele scenariuszy, ale pewne jest, że jej przebieg zależy od liczby osób zaszczepionych. Teraz najważniejsze jest, aby zaszczepili się młodzi ludzie, tzw. superrozprzestrzeniacze – mówi prof. dr hab. n. med. Jarosław Pinkas, dziekan Szkoły Zdrowia Publicznego Centrum Medycznego Kształcenia Podyplomowego, konsultant krajowy w dziedzinie zdrowia publicznego. Jak podkreśla, system ochrony zdrowia jest przygotowany na czwartą falę – nie brakuje respiratorów, szpitale tymczasowe są w gotowości, a większość pracowników służby zdrowia przyjęła dwie dawki szczepionki i czeka na dawkę przypominającą. Do tej pory przyjęło ją ponad 350 tys. osób.

Telekomunikacja

Ceramika może być podstawą innowacji w wielu branżach. Stosuje ją już telekomunikacja w smartfonach 5G czy zbrojeniówka w czołgach

Medycyna, elektronika, telekomunikacja czy przemysł zbrojeniowy oraz jądrowy – to dziedziny gospodarki, w których zastosowanie znajduje ceramika, dziś kojarzona głównie z materiałami budowlanymi czy akcesoriami do wnętrz. Co więcej, zaawansowana ceramika jest zaliczana do materiałów determinujących innowacyjność tych branż. Ceramiczne elementy w smartfonach pozwolą w pełni wykorzystać łączność w technologii 5G, a produkowane w drukarkach 3D ceramiczne protezy są dobrze przyjmowane przez organizm pacjenta. Rynek tego typu materiałów wzrośnie w ciągu kilku najbliższych lat o jedną trzecią.