Fiberoptik förknippas i första hand med bredband och Internet, och det är sant, kommunikationssamhället som vi känner det idag skulle vara otänkbart utan fiberoptik. Inget annat medium kan för närvarande erbjuda sådan informationsöverföringskapacitet. De fiberoptiska system som installeras idag kan ha bandbredder på upp till 40 Gbps per optisk kanal och forskningen siktar nu mot nästa generations system med bandbredder på upp till 160 Gbps och upp till 128 kanaler per fiber. Mindre känt är kanske att optisk fiber har många fler tillämpningar. Avsikten med denna artikel är att visa på några av de viktigaste och mest intressanta.

Lars-Erik Nilsson är chef för fiberkomponentgruppen vid Acreo och har arbetat med utveckling av optisk fiber, fiberoptiska komponenter och sensorsystem i över tio år. Dessförinnan drev han konsultverksamhet med inriktning mot optiskt baserade mät- och sensorsystem.

Ljusledningen i en optisk fiber bygger på principen om totalreflektion: ljus som går från ett medium med högre brytningsindex (n1) till ett medium med lägre brytningsindex (n2) kommer att förlustfritt reflekteras från det senare om infallsvinkeln är större en den kritiska vinkeln ∆ = asin(n2/n1). I en optisk fiber leds ljuset i kärnan som omges av ett material, manteln, med ett lägre brytningsindex. Om kärnan är tillräckligt liten, jämfört våglängden, kan ljuset bara propagera på ett enda sätt – mod – genom fibern. Om kärnan är större kan ljuset propagera på flera sätt. En multimodfiber kan stödja tusentals olika moder, var och en med något olika egenskaper. Manteln skyddas vanligen av en akrylatbeläggning (coating) men även andra material, som polyimid eller silikongummi, används ofta. Optisk fiber som skall arbeta i svåra miljöer kan behöva skyddas extra från fukt och olika gaser. Den kan då förses med ett mycket tunt grafitskikt som utgör en effektiv spärr. Ibland används också koppar- eller aluminiumbeläggningar. Slutligen kan fibern förläggas i någon form av kabel, som skydd mot mekanisk påverkan.

Det vanligaste materialet för tillverkning av optisk fiber är högrent kvartsglas, SiO2. Kvartsglas har goda mekaniska, kemiska och optiska egenskaper. För att åstadkomma den nödvändiga skillnaden i brytningsindex dopas kärnan vanligen med germaniumdioxid, GeO2, som har ett högre brytningsindex än kvarts. Alternativt kan mantelns index sänkas genom att glaset dopas med fluor eller i vissa fall bor. Kvartsfiber är användbar vid våglängder från 200 nm till drygt 2 000 nm. Normalt har en optisk fiber en diameter på 125 µm, men storlekar mellan 60 µm och 3 000 µm förekommer.

För speciella ändamål tillverkas optisk fiber av många andra material. För transmission vid långa våglängder, som IR-spektrofotometri, används glas av tunga metallfluorider (4 µm), germaniumdioxide med tillsatser (3 µm), kalogenider såsom As2S3 (6 µm) eller silverhalogenider (<18 µm). Safirfiber (Al2O3) är användbar upp till cirka 3,5 µm och tål över 2 000°C. Plastfiber finner en ökad användning inom till exempel hemmanätverk då den är enkel och billig att installera. Den har också funnit användning inom fordonsindustrin.

Fotoniska kristallfibrer eller mikrostrukturerade fibrer är en ny typ av optisk fiber. I dessa är manteln mikrostrukturerad med en stor mängd axiella, vanligen luftfyllda hål (se figur 2). Hålen sänker det effektiva brytningsindexet i manteln och kärnan kan leda ljus ungefär som vanlig fiber. Genom olika utformning av mikrostrukturen kan fibern ges olika egenskaper, exempelvis att vara singelmod vid alla våglängder eller vara extremt olinjär. I det senare fallet kan en fiber, pumpad med intensiva ljuspulser vid till exempel 1 060 nm, ge ett kontinuerligt spektrum (supercontinuum) från 400 nm till 2 000 nm. Egenskapen orsakas av en kombination av icke-linjära effekter, såsom ramanspridning, fyrfotonblandning och självfasmodulering. En sådan fiber blir en mycket stark, bredbandig och punktformig ljuskälla som kan används inom spektroskopi och olika typer av mikroskopi. Genom noggrann design och tillverkning av mantelstrukturen kan man framställa fotonisk bandgapsfiber där ljusets närvaro i mantelns mikrostruktur är förbjuden. Ljuset kan då huvudsakligen bara existera i kärnan som kan vara en gas. Fibern utgör då en mycket lång kyvett för till exempel gasanalys. Mikrostrukturerade fibrer utgör ett mycket aktivt forskningsområde idag.

I fotokänslig fiber skriver man med hjälp av interferometriskt framställda ljusa och mörka fransar in ett tätt mönster av varierande brytningsindex i fiberkärnan, ett Fiber Bragg Gitter (FBG). Gittret fungerar som en reflektor för en specifik resonansvåglängd medan det släpper igenom alla andra våglängder. Sträcks fibern ändras gittrets period och också den reflekterade våglängden, något som lätt kan detekteras. På så sätt kan töjning och deformation i mekaniska strukturer detekteras med en fiber som är integrerad i strukturen (se figur 1). Flera FBG:er kan placeras i en och samma fiber för att monitorera många mätställen samtidigt. Nya Årstabron i Stockholm har försetts med ett 40-tal inbyggda FBG-sensorer. På motsvarande sätt kan man också mäta temperatur som ju påverkar fiberns brytningsindex och gittrets resonansvåglängd. FBG-sensorer används ofta i sammanhang där man önskar små, lätta sensorer med hög känslighet, galvanisk isolering och immunitet mot elektriska störningar. Speciella procedurer gör att de kan fås att tåla över 600°C.

I fiberförstärkare har fiberkärnan dopats med joner som med hjälp av ljus exciteras (pumpas) till en högre metastabil energinivå. När en foton av rätt energi (med längre våglängd) passerar jonen stimuleras den att avge sin upplagrade energi i form av en identisk foton, varvid en förstärkning av den ursprungliga fotonen erhålls. Denna princip utnyttjas flitigt i fiberoptiska förstärkare. Genom val av dopämne får man förstärkning vid olika våglängdsområden. Ytterbium (1 µm), erbium (1,5 µm) och tulium omkring (2,0 µm) används alla i kommersiella system. Den fiberoptiska erbiumförstärkaren har en mycket låg brusfaktor nära den teoretiska gränsen, mycket hög förstärkning och god linjäritet, jämfört med andra förstärkarlösningar. Den kan också förstärka ett stort antal optiska kanaler samtidig, så kallad våglängdsmultiplexering (WDM, Wavelength Division Multiplexing). Andra material som provas är holmium, praseodym och vismut. Dessa har dock ännu inte kommit till användning i kommersiella system i någon utsträckning. Växelverkan mellan fibermaterialet (matrisen) och dopämnet har avgörande inverkan på förstärkaregenskaperna och ibland används därför mer exotiska material såsom metallfluorider eller fosforpentoxid.

Förstärkning kan även uppnås utan speciella dopämnen genom att utnyttja ickelinjära effekter, framförallt stimulerad Ramanspridning. I det fallet utnyttjar man inte de elektroniska excitationsnivåerna hos ett dopämne utan vibrationsspektrumet hos fibermaterialet självt för förstärkning. Ramaneffekten i det amorfa glaset ger upphov till förstärkning över ett brett våglängdsområde som har en konstant förskjutning i optisk frekvens från pumpen. I en kvartsfiber får man en förstärkning över ett optiskt frekvensområde om upp till 40 THz med ett maximum förskjutet cirka 13 THz från pumpen. För en pumpvåglängd av 1 000 nm motsvarar det en optisk förstärkningsbandbredd på drygt 100 nm med maximum cirka 40 nm förskjutet från pumpen.
En fiberlaser är i princip en positivt återkopplad fiberförstärkare. Återkopplingen görs enklast genom att en förstärkarfiber förses med två ändreflektorer, exempelvis FBG:er. På så sätt bildas en avstämd kavitet kring det förstärkande mediet. Den ena reflektorn släpper igenom några procent av det koherenta laserljuset i kaviteten som pumpas med ljus av kortare våglängd, vanligen från en eller flera laserdioder. Pumpen kan kopplas in antingen via den andra reflektorn eller via sinnrika arrangemang där manteln får utgöra vågledare för pumpljuset, så kallad double cladd fiber. I det senare fallet används gärna mikrostrukturerad fiber.

Fiberlasrar har vunnit stor acceptans på grund av sina många goda egenskaper. De har hög stabilitet med möjlighet till extremt små linjebredder, mindre än 1 kHz (3 5 10–6 pm). Mycket hög strålkvalitet kan ofta fås då ljuset i många fall kan begränsas till en enkel mod. Hög verkningsgrad och höga effekter då det stora förhållandet fiberyta/volym möjliggör effektiv kylning. Singelmod fiberlasrar vid 1 µm med effekter upp till 1,5 kW CW finns idag kommersiellt tillgängliga.
I sin pulsade form används de för exempelvis mikrobearbetning, gravering och märkning. Sådana lasrar görs ofta i MOPA- konfiguration (Master Oscillator Power Amplifier), vilket innebär att pulserna från en pulsad diod- eller fiberlaser förstärks i en eller flera seriekopplade fiberförstärkare. För skärning, svetsning, härdning och liknande finns idag multimodlasrar med CW-effekter på upp till 50 kW. Fibrer används för distribution av ljuset från dessa lasrar till ”point-of-use” i exempelvis en bilfabrik. För de här tillämpningarna måste fibern vara grövre än normalt annars blir effekttätheten för hög, vilket orsakar störande ickelinjära fenomen som Brillouin- och Ramanspridning och även att glaset slutligen förstörs. Fiberdiametrar på upp mot 1 mm kan användas.

Inom medicinen har optisk fiber använts länge i endoskopi och nyckelhålskirurgi skulle vara otänkbart utan denna teknik. Nya tillämpningar av optisk fiber vinner nu terräng. Fiberoptisk koherenstomografi är en interferometrisk metod som avbildar vävnaden direkt under huden med mikrometerupplösning. Fotodynamisk terapi är en relativt ny behandlingsmetod för bland annat prostatacancer där ett fotoaktivt ämne distribueras i tumören och belyses via en eller flera optiska fibrer med ljus av en viss våglängd. Därmed bildas giftiga syreradikaler som dödar tumören medan omkringliggande vävnad skonas. Genom att via de optiska fibrerna mäta fluorescensen från det fotoaktiva ämnet liksom syrehalten i vävnaden kan man kontrollera att de terapeutiska betingelserna är optimala.

De små dimensionerna gör att fiberbaserade sensorsystem är praktiska för in-vivo-bruk. Svenska Samba Sensor tillverkar till exempel en optisk fiber försedd med ett tunt membran i ena änden. Membranets flexning, skapat av ett yttre tryck, detekteras genom att det påverkar hur ljuset reflekteras tillbaks i fibern. Sensorn kan med mycket god noggrannhet mäta trycket i olika kroppsvävnader som urinvägar, lungor eller äggstockar. För att övervaka patientandning har optisk fiber försetts med en fuktkänslig beläggning i ena änden. När den fuktiga utandningsluften träffar fibern förändras reflektansen, vilket lätt kan detekteras.

Elektriskt styrbara fibrer utvecklas av Acreo. I dessa fibrer integreras en eller flera elektroder axiellt (parallellt med kärnan) i fibern. En ström som leds genom en sådan elektrod värmer upp den så att den expanderar och trycker på kärnan. Det ger upphov till en dubbelbrytning hos fibern – det effektiva brytningsindexet blir olika för ljus vars elektriska fält svänger mot elektroden respektive vinkelrätt mot den. Genom att kontrollera dubbelbrytningen kan ljusets polarisationsegenskaper styras. Effekten kan användas för att göra nanosekundssnabba optiska switchar för att exempelvis pulsa fiberlasrar genom Q-switchning (se figur 4). Genom att lägga en mycket hög spänning (kV) över elektroderna och samtidigt värma upp fibern så migrerar jonerna i glaset i det elektriska fältet. När fibern kyls låses jonerna i sina nya positioner och en laddningsseparering har skett. På så sätt kan man bygga upp extremt kraftiga permanenta elektriska fält (0,5 GV/m) över fiberkärnan som på detta sätt kommer att uppvisa en starkt förhöjd elektrooptisk effekt. Brytningsindex hos den fibern kan därför ändras genom att en relativt liten spänning läggs på elektroden. Försök pågår nu att använda den effekten för att styra resonansvåglängden hos Fiber Bragg Gitter.

Forskningsinstitutet Acreo bedriver en omfattande FoU-verksamhet inom fiberoptik. Vid ett av Europas modernaste fiberlaboratorium i Hudiksvall utvecklas och produceras olika typer av special-fiber. Vid applikationslaboratorierna i Kista utvecklas nya typer av fiberkomponenter, fibersensorer och sensorsystem.