Projektet ”Multifunktionell fiberoptik” består, som namnet antyder, av många delar. Under fem år ska en grupp slipade forskare ta reda på hur optiska fibrer kan användas på nya sätt.

Fredrik Laurell

− Fyller man fibrer med halvledare så kan de användas för elektroniska tillämpningar till exempel solceller. Vi ska se om det är en möjlig väg framåt. Vi ska också utforska hur vår forskning kan användas i olika medicinska tillämpningar, exempelvis för att avbilda med terahertzvågor, säger Fredrik Laurell, som leder forskningsprojektet.

Startskottet för projektet har precis avlossats. Samtidigt är åratal av forskning inom fiberlasrar liksom expertis i avancerad laserbearbetning av glas och kunskap i att tillverka fibrer en förutsättning för projektet.

En del av projekttiden ska ägnas åt att bygga en fiberoptisk verktygslåda. Här handlar det om att arbeta med fibrer som har olika typer av håligheter i sig. Beroende av hur hålen ser ut och vad de fylls med skapas olika funktioner.

En idé är att skapa en elektriskt modulator som kan nå hög repetitionsfrekvens även om den drivs med en relativt låg spänning. Metoden bygger på att hål som följer parallellt med kärnan i en fiber fylls med smält metall som stelnar och bildar elektroder.

Två hål med olika avstånd till kärnan

Om två sådana hål inte har samma avstånd till fiberkärnan kan fibern polas. Det betyder att man med hjälp av värme och en väldigt hög spänning kan driva joner i glaset mot den negativa elektroden, så att ett permanent fält byggs upp över fiberkärnan.

− När man adderar två elektroder och stör balansen i fibern går det att modulera ljuset. Istället för att lasern går kontinuerligt kan den fås att switcha ut ljuset åt det ena hållet. På så sätt kan vi skapa snabba laserpulser. Det är väldigt intressant.

Finessen med att pola fibern är att brytningsindex i fibern kan ändras med en relativt låg spänning. Det kan räcka med 30 V, istället för 300 V, och forskarna kan modulera med tiotals megahertz (MHz).

− Fast vi vill nå ännu lägre drivspänning. Helst vill vi vara kompatibla med vanlig elektronik, ner mot 5 V eller 1,5 V. Dit har vi inte kommit än, men det är något vi kommer att jobba med i detta projekt.

Fyller man en fiber med halvledare kan man istället använda den för att göra långa solceller.

Förenklat bygger man då upp en fiber med elektroder vid sidan och en PN-övergång i själva fiberkärnan. När ljus skickas i fibern genom PN-övergången bildas elektron-hålpar i kärnan. Den stora utmaningen är att kunna plocka ut strömmen ur fibern på ett vettigt sätt.

En annan, kanske mer intressant idé, är att använda fibrer med halvledarkärnor för att ­alstra och guida långvågigt ir-ljus och terahertzvågor.

− Ett sätt att generera terahertzvågor, som vi använder idag, kallas fotokonduktiv antenn. Då skjuter man med en mycket intensiv laserpuls på en bit GaAs så att elektronerna sätts i rörelse. Det blir som en antenn som skickar ut terahertzvågor, säger Fredrik Laurell, och han fortsätter:

− Vi tänker oss att kombinerar en vanlig fiber i vilken man skjuter en laserpuls med en bit halvledare som genererar terahertzvågor.

Terahertz är ett aktivt forskningsområde som är svårt att nå eftersom det ligger mellan fotonik och elektronik.

För dem som arbetar med elektronik handlar det om väldigt höga frekvenser. Inom opto är det tvärtom. Här handlar det om väldigt långa våglängder, där utmaningen framförallt är fotonernas extremt låga energi. Det är som mycket kall bakgrundsstrålning och den är svår att mäta.

− Man säger att terahertz-gapet är det sista hålet i det elektromagnetiska spektret där det inte finns några bra ljuskällor. Så det är ett hett forskningsområde där vi är med.

Samtidigt är THz-området intressant inom exempelvis medicinsk avbildning. En tanke hos forskarna är att i framtiden kunna stoppa in en fiber i kroppen för att med hjälp av de långa våglängderna kunna avbilda lokalt. Denna typ av avbildning skulle då kunna komplettera andra undersökningar, som röntgen och datortomografi.

En stor del av projektet kommer att ägnas åt biomedicinska tillämpningar. Bland annat ska forskarna använda fibrer för att plocka utvalda celler.

Här börjar Fredrik Laurell att berätta med papper och penna. Han skissar en vätskefylld bägare med partiklar och en fiber med kärna och ofyllda hål, likt rör, som löper i fibern längs kärnan. Den ena fiberänden är nedstoppad i bägarens vätska.

− Om man lyser med en laser genom fibern ut i bägaren kan partiklarna som ljuset träffar exempelvis fluorescera om de har en signatur som testet är intresserat av. Genom att fånga upp fluorescensljuset kan man konstatera att en viss partikel är närvarande.

Är en pump dessutom kopplad till mynningen av fibern går det att suga in de utvalda partiklarna i det lilla hålet som löper längs fiberkärnan.

− Vi har i experiment visat att vi kan plocka partiklar på detta sätt. Har man två hål går det att plocka två partikeltyper, en i varje hål.

Inom detta gebit samarbetar KTH-forskarna med Science for Life Laboratory, eller SciLifeLab, som också deltar i projektet. SciLifeLab är ett nationellt centrum för molekylär biovetenskap och ett samarbete mellan fyra universitet: Karolinska Institutet, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholms universitet och Uppsala universitet.
En stor del av projektet går ut på att använda fibrer för så kallad in vivo-studier. Det innebär att man undersöker organ på plats i kroppen för att se om något inte är som det ska. Defekta celler kan sedan behandlas lokalt med exempelvis medicin, kemikalier eller laserpulser, alternativt kan cellerna plockas bort.

− På Karolinska är man intresserad av tekniken för behandling av cancer speciellt i bukspottkörteln eftersom det är väldigt svårt att komma åt körtlarna. Att kunna stoppa in cytostatika lokalt skulle kunna vara en intressant behandling i framtiden.

Ett mer spektakulärt uppslag är att skapa en levande laser.

− Ja, det är en idé som jag haft jättelänge. Det går att göra, men vi har inte lyckats realisera det än.

Forskare på MIT och Harvard har på sistone lyckats visa att det går att göra. De använder en liten disk som de lägger celler märkta med grönt fluorescerande protein, GFP, som är standard i cell- och molekylärbiologi och ledde till Nobelpris i kemi år 2008.

När de sedan lyser på cellerna fluorescerar de.

− Vi tänker oss att suga in levande celler i en kavitet i fibern. Skickar man sedan in pumpljus dit bör man kunna få cellerna att lasra, säger Fredrik Laurell, och han fortsätter:

− Den levande lasern är en biotillämpning, men kanske ännu mer handlar det om att skräddarsy en laser.