Je leest:

Informatie overdragen met licht

Informatie overdragen met licht

Auteur: | 28 februari 2007

De laatste jaren worden overal straten en wegen opengebroken om nieuwe kabels aan te leggen. Voor telecommunicatie zijn de oude koperkabels niet meer voldoende. De nieuwe glasvezelkabels hebben een grotere capaciteit en zijn ongevoeliger voor storingen. Door één glasvezeltje kunnen miljoenen telefoongesprekken tegelijk worden getransporteerd. Een transatlantische kabel bestaat daarom vaak maar uit één vezel.

De laatste jaren worden overal straten en wegen opengebroken om nieuwe kabels aan te leggen. Voor telecommunicatie zijn de oude koperkabels niet meer voldoende. De nieuwe glasvezelkabels hebben een grotere capaciteit en zijn ongevoeliger voor storingen. Door één glasvezeltje kunnen miljoenen telefoongesprekken tegelijk worden getransporteerd. Een transatlantische kabel bestaat daarom vaak maar uit één vezel.

Een kleine experimentele versterker van glasvezel voor lichtsignalen. Bron: FOM / AMOLF

Licht of elektriciteit?

Licht is beter dan elektriciteit voor het transporteren van informatie. Met lichtflitsjes kan namelijk meer informatie worden overgezonden, omdat de trillingsfrequentie van licht veel hoger is dan die van elektriciteit. Bovendien kunnen verschillende kleuren licht tegelijk door één glasvezel schijnen, waardoor de capaciteit nog verveelvoudigt. Ook heeft een glasvezelkabel veel minder last van storingen uit de omgeving. Je mag met een zaktelefoon niet bellen in een ziekenhuis of een vliegtuig, omdat computerkabels gemakkelijk beïnvloed worden door de radiosignalen van de telefoon. Een glasvezelkabel heeft daarvan geen last.

Een glasvezel is dus ideaal voor het transporteren van grote hoeveelheden informatie. Dat wordt steeds belangrijker, want het informatietransport groeit nog steeds. Denk maar aan alle tv-zenders, internet, nieuwe videodiensten en de communicatie tussen computers.

Uitdovende signalen

Het probleem bij het gebruik van glasvezels is dat de lichtflitsjes onderweg zwakker worden. Het lichtsignaal moet daarom elke honderd kilometer versterkt worden. Daarbij kan geen elektronische versterker worden gebruikt. Dat doet de voordelen van communiceren met licht weer teniet. De capaciteit van de verbinding wordt beperkt als het licht na 100 kilometer toch weer in een elektrisch signaal moet worden omgezet voor de versterker.

Vandaar dat bij lange-afstands-glasvezelverbindingen een lichtversterker wordt gebruikt. Er is een slimme techniek ontwikkeld om het infrarode licht, dat meestal gebruikt wordt voor glasvezels, zonder tussenkomst van elektronica te versterken. Daarbij wordt gebruik gemaakt van erbiumatomen, die in de glasvezels worden ingebouwd. Deze atomen hebben een bijzondere eigenschap. Ze zenden lichtdeeltjes uit, precies op het moment dat er een ander lichtdeeltje langs komt. Eén lichtdeeltje wordt zo versterkt tot twee. Bij de volgende ontmoeting met erbiumatomen kunnen er dan vier lichtdeeltjes zijn, daarna acht en zestien. Als alles goed gaat, is er dus een flinke versterking. Daarbij blijft het snelle ritme van de oorspronkelijke lichtflitsjes behouden.

Een lichtdeeltje dat op een erbiumatoom botst, zorgt ervoor dat het atoom een exacte kopievan het lichtdeeltje uitzendt. Op die manier wordt het signaal in de glasvezel versterkt zonder elektronica te gebruiken. Bron: Laser Stars

De versterker opladen

Om het versterkende effect te bereiken, moeten de erbiumatomen wel opgeladen zijn met voldoende energie. Daarvoor zorgt een laser, die constant energie verschaft aan de erbiumatomen. Om voldoende versterkend effect te bereiken, zijn er veel erbiumatomen nodig. Ze mogen echter niet te dicht bij elkaar zitten, anders gaan ze klonteren. Een klontje erbiumatomen zendt ook groen licht uit. Daar hebben we niets aan, want dit groene licht gaat ten koste van de versterking van het infrarode licht. Het is dus zaak om erbiumatomen voorzichtig in te bouwen in een glasvezel. Om te voorkomen dat ze te dicht bij elkaar zitten, wordt een lengte van zo’n 50 meter glasvezel gebruikt. Omdat de versterkende vezel zo lang is, moet deze worden opgerold. De kluwen wordt ondergebracht in een soort torpedo van een meter lang. Die klos komt op de bodem van de oceaan te liggen.

Waar wordt er versterkt?

Niet altijd is er plaats voor zo’n lichtversterker. Het is bijvoorbeeld een probleem in een woonwijk, waar lichtsignalen via glasvezels naar verschillende woningen worden gestuurd om ze te voorzien van kabel-tv, internet en telefoon. Bij iedere stap waarin licht wordt verdeeld of geschakeld is versterking van het licht nodig. Voor die toepassing zou het handig zijn om over veel kleinere lichtversterkers te beschikken.

Onderzoek naar signaalversterking in glasvezels

Albert Polman, onderzoeksleider bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam en hoogleraar aan de Universiteit Utrecht, heeft bedacht hoe de versterker kan worden verkleind. Hij kreeg zijn idee toen hij werkte bij AT&T in de Verenigde Staten (het huidige Lucent Technologies, een bedrijf dat veel langeafstandsverbindingen beheert). Hij maakte bij het uitvoeren van zijn ideeën gebruik van de bestaande technieken waarmee chips worden geproduceerd. Met die technieken kun je niet alleen kleine elektronica maken, maar ook minuscule glasstukjes bewerken. In 1996 lukte het zijn onderzoeksgroep om een miniatuurversie te maken van de opgerolde erbiumglasvezels. Een vier centimeter lange miniatuur glasvezel werd in spiralen aangebracht op een oppervlak van één vierkante millimeter. Om hetzelfde versterkende effect te krijgen als bij de lange glasvezel, moet de concentratie erbiumatomen nog verder worden vergroot. ‘We zijn nog steeds bezig om het ontwerp te verbeteren. Het blijkt lastig om klontering te vermijden.’ Recente experimenten wijzen de uitweg uit dit probleem.

Doorbraak in de versterkertechnologie

Onderzoekers in de groep van Polman zijn erin geslaagd erbiumatomen in te bouwen in kooivormige organische moleculen en in uiterst kleine glazen bolletjes. Die moleculen en bolletjes kunnen ze vervolgens gelijkmatig verdeeld in elektrisch geleidend plastic aanbrengen. Dat slaat twee vliegen in één klap. De erbiumatomen kunnen nu meer licht uitzenden en de energie die ze nodig hebben, kan worden toegevoerd door een elektrisch stroompje door het geleidende plastic te laten lopen.

De versterker met het glasvezeltje werkt al. Er komt nu tweemaal zoveel infrarood licht uit de miniatuur versterker als erin gaat. ‘Als je nog preciezer werkt, kun je dat nog opvoeren tot een factor tien. We hebben wel een paar ideeën hoe je dat kunt doen. Maar het praktisch werk laat ik nu verder graag over aan de industrie. Onze taak als wetenschappers is om te laten zien dat het kan. Dat hebben we gedaan.’

Licht versterken met erbiumatomen werkt. Om die atomen goed in glasvezels in te bouwen, kunnen ze in een kooi van andere atomen worden geplaatst. Bron: FOM / AMOLF

Ondertussen werkt Polman aan technieken om de versterkers nog kleiner te maken. ‘Een vierkante millimeter lijkt klein voor een versterker, maar als je dat vergelijkt met de maten van microelektronica, is het nog heel groot. Als je in een telefooncentrale honderdduizenden versterkers nodig hebt, moet het nog kleiner.’

Licht in de bocht

Eén van de problemen bij het verkleinen van de lusjes, is de geleiding van het licht. Het licht in de glasvezel kan namelijk geen scherpe bocht maken. Als het glasvezeltje erg krom loopt, lekt het licht uit de vezel en gaat gewoon recht door. De glasvezeltjes kunnen daarom niet in kleinere cirkels worden gelegd dan in het versterkertje dat Polman al had gemaakt. Toch is dat nodig, als je de microglasvezels kleiner wilt oprollen. Je moet daarom een slimme truc uithalen.

In dit woud van siliciumpaaltjes kan licht gedwongen worden een bocht te maken. Bron: FOM / AMOLF

Met een bijzondere bouwsel blijkt het wél mogelijk om licht scherp de bocht om te laten gaan. Polman laat een foto zien van minuscule silicium paaltjes, die allemaal keurig in het gelid staan. Deze structuur heeft hij samen met collega’s van de Technische Universiteit Delft ontworpen en gemaakt. De afstand tussen de paaltjes is gebaseerd op de golflengte van het infrarode licht dat voor de telecommunicatie wordt gebruikt. De afstand is zo gekozen, dat de lichtgolven er op geen enkele manier doorheen kunnen, behalve op één plaats. Daar is één rij paaltjes weggehaald. Het licht kan alleen maar door de nauwe gang kruipen, die is ontstaan. Als de gang naar links gaat, moet het licht ook naar links. Gaat de gang naar rechts, dan moet het licht de bocht wel volgen, hoe scherp die ook is. Uit de bocht vliegen kan niet, want dan komt het licht in het paaltjeswoud terecht, dat het onverbiddelijk weer terugkaatst in de goede richting.

Simulatie en meting van licht dat een bocht om wordt gewongen in het silicium-doolhof. Bron: FOM / AMOLF

De paaltjes de Polman heeft gemaakt zijn 5 micrometer hoog en staan een halve micrometer van elkaar (een micrometer is een duizendste millimeter). Dat betekent dat op een vierkante centimeter 400 miljoen van deze paaltjes kunnen staan. ‘Zo ver zijn we nog niet. We zijn al blij met een paar honderd paaltjes, want het is lastig om ze te maken. Eind 1998 is dat voor het eerst gelukt. Met speciale etsmiddelen wordt het materiaal rond de paaltjes weggehaald, zodat alleen de paaltjes overblijven. Je moet voorzichtig zijn dat ze niet aan elkaar kleven of omknakken,’ aldus Polman. ‘We hebben een bocht gemaakt die veel scherper is dan die in onze lichtversterker,’ legt Polman uit. ‘Het is nog maar één bocht, maar je kunt het licht ook andere patronen laten volgen. Uiteindelijk kun je daardoor nog kleinere lichtschakelingen maken. Maar de uitdaging is nu eerst om te onderzoeken hoe efficient het licht door de bocht loopt.’

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 februari 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.