Optische pompstations op informatiesnelweg

Signalen door glasvezelkabels mogen niet teveel uitdoven. Door toevoeging van zeldzame-aardmetalen aan het silicaatglas wordt de puls op zijn tocht versterkt.

De telecommunicatierevolutie van de laatste jaren heeft een doorslaggevende rol gespeeld in de ontwikkeling en groei van de opto-electronische technologie. Onder druk van de ongekende mogelijkheden die fenomenen als virtual reality en video-op-afroep lijken te gaan bieden, is de vraag naar betere (snellere) mogelijkheden voor het wereldwijd versturen van beelden en gegevens alleen maar groter geworden. Conventionele elektronische verbindingslijnen zijn daarvoor al lang niet meer voldoende, zodat alleen glasvezels en optische schakelcomponenten de benodigde transmissiesnelheden en bandbreedtes bieden (de bandbreedte is de frequentie waarmee de elektrische pulsen of lichtpulsen elkaar mogen opvolgen om nog apart te worden gedetecteerd). Het onderzoek op dit gebied is echter al zo'n goede twintig jaar aan de gang, en men zou zich af kunnen vragen wat voor nieuwe ontwikkelingen er nog te verwachten zijn.

Een glasvezel is gemaakt van uiterst zuiver silicaatglas, met daaromheen een zogenaamde cladding (coating, of bekleding), die het licht door de vezel geleidt. De meestal uit een eenvoudige, en zeer kleine diodelaser afkomstige, infrarode lichtpulsen die zich in zo'n vezel voortplanten, ondergaan daarbij een verzwakking van zo'n 5% per kilometer. Deze afname in intensiteit is een gevolg van absorptie en verstrooiing aan de helaas altijd in het glas aanwezige verontreinigingen.

Bij het versturen van gegevens door kabels kunnen echter maar nauwelijks fouten worden veroorloofd: de toegestane marge is slechts één op de miljard. Het zal dus duidelijk zijn dat een enkele puls niet al te veel mag worden verzwakt. Een vuistregel is daarom dat elke 100 tot 200 kilometer de stroom data even moeten 'opgefrist'. De lichtpulsen worden daartoe omgezet in elektrische pulsen, die worden versterkt en weer gebruikt om nieuwe lichtpulsen te genereren. In de eerste transatlantische kabel, die aan het eind van de jaren tachtig werd gelegd, gebeurde dit zelfs om de zeventig kilometer, zodat voor het hele traject bijna honderd versterkerstations nodig waren. Met alle extra kosten en ongemakken vandien.

Het kan ook anders. Al in het begin van de jaren zestig, slechts een paar jaar na de ontwikkeling van de eerste laser, werd al gewerkt aan optische versterking om de gevoeligheid van detectoren te vergroten, en ook toen werden daarvoor al glasvezels gebruikt. Het idee achter optische versterking is even simpel als elegant.

Aan een stuk glasvezel wordt in lage concentratie een zeldzame-aardmetaal als erbium of praseodymium toegevoegd. Natuurkundigen spreken in zo'n geval van een gedoteerd glas. Wanneer nu een laser ervoor zorgt dat bijvoorbeeld de erbium-ionen in een aangeslagen toestand verkeren, dan kan er gestimuleerde emissie optreden. Bij dit voor het eerst in 1916 door Einstein beschreven proces geven alle aangeslagen moleculen of ionen in één keer hun energie af wanneer er ook maar een enkel foton van de juiste (passende) golflengte voorbijkomt: er treedt met andere woorden een soort fotonenvermenigvuldiging op.

Transmissievenster

In de praktijk kan zo zelfs het kleine beetje licht dat nog over is in een aantal (verzwakte) pulsen een groot aantal erbium-ionen licht uit laten stralen. Zo wordt dus elke puls afzonderlijk versterkt en dat terwijl deze zich blijft voortplanten door de vezel. Het is natuurlijk wel nodig om de erbium-ionen steeds opnieuw in een aangeslagen toestand te brengen.

De voordelen zijn legio. Allereerst heeft deze vorm van versterking een onbeperkte bandbreedte, die ook nog eens willekeurig kan worden gevarieerd. Verder kunnen in dezelfde glasvezel verschillende golflengtes (rond de 1500 nm) - en dus verschillende optische kanalen - tegelijkertijd worden versterkt. De versterking is bovendien onafhankelijk van de polarisatie van het licht èn van de temperatuur. Begin vorig jaar werd in een gezamenlijk experiment van Amerikaanse en Japanse onderzoekers een transmissie-capaciteit (de hoeveelheid per seconde verstuurde informatie, ofwel het aantal verstuurde bits per seconde, vermenigvuldigd met de afstand waarover deze verstuurd kan worden) gehaald van 10 Gigabit per seconde over een afstand van 9000 kilometer. Ten opzichte van conventionele technieken betekende dit een verbetering met een factor 100 à 1000. De eerste glasvezelkabels op basis van de erbium-versterker technologie zullen dan ook al begin 1995 zowel in de Atlantische als de Stille Oceaan worden gelegd.

Ook in Nederland vindt onderzoek plaats naar de mogelijkheden en beperkingen van de erbium-versterkers. In maart dit jaar promoveerde Tsjerk Hoekstra aan de Universiteit Twente op een onderzoek van een heel specifiek systeem, waarin het erbium is opgenomen in een rooster van yttriumoxide. Allereerst werden de optische eigenschappen van dunne films bestudeerd en kon worden aangetoond dat de erbiumconcentratie een uiterst belangrijke parameter is. In tegenstelling tot wat men misschien zou verwachten, is het niet zomaar zaak om deze sterk op te voeren. Hoewel dat in eerste instantie natuurlijk wel leidt tot een betere versterking, wordt bij nog hogere concentraties het rendement beperkt, doordat de energie van een aangeslagen erbium-ion weglekt naar naburige ionen en zo verloren gaat. Hoekstra slaagde er gebruik makend van verfijnde sputter- en etstechnieken uiteindelijk ook in om een prototype van een zeer efficiënte optische versterker te realiseren.

De concurrentie lijkt echter moordend. In de speurtocht naar nieuwe matrixmaterialen sloegen Engelse onderzoekers van British Telecom onlangs nog een belangrijke slag, toen optische versterking werd aangetoond in twee tot nog toe uiterst 'moeilijke' golflengtegebieden, die rond de 800 en 1300 nm. Met name dat laatste transmissievenster is erg belangrijk, omdat het grootste gedeelte van de reeds geïnstalleerde optische telecommunicatiesystemen werkt met licht van die golflengte. Om een zo goed mogelijke optische versterking te verkrijgen, moest zelfs een speciaal glas worden ontwikkeld bestaande uit een combinatie van een groot aantal metaalfluorides. Hoewel de prijs ervan - zo'n ¢8 1000 per meter vezel - op dit moment een grootschalige toepassing vooralsnog in de weg staat, moet niet worden vergeten dat de eerste gedoteerde silicaat-vezels aanvankelijk ook zo duur waren, maar nu voor minder dan ¢8 10 per meter worden verkocht (Opto & Laser Europe, september 1994).

Kerr-effect

Helaas zijn absorptie en verstrooiing van het licht niet de enige processen die de lichtpulsen in optische vezels vervormen. De frequenties of kleuren waar elke lichtpuls uit bestaat planten zich namelijk niet met identieke snelheden door de vezel voort. Ten gevolge van deze zogenaamde dispersie verbreden de pulsen zich, waardoor ze elkaar uiteindelijk zelfs gaan overlappen. Gelukkig is de voortplantingssnelheid van elke frequentie ook afhankelijk van de intensiteit van het licht, iets wat men het optisch Kerr-effect noemt. Van de combinatie van beide effecten kan dus handig gebruik gemaakt worden. Door een geschikte keuze van de frequenties en hun intensiteiten wordt het effect van dispersie teniet gedaan en ontstaat een stabiele pulsvorm: een soliton. Een aardig beeld voor de voortplanting van een soliton door een fiber is dat van hardlopers op een dik matras. Zij veroorzaken een met hen meebewegende 'put'. De voorste (snelste) renners worden hierdoor vertraagd, omdat ze steeds tegen de heuvel op moeten lopen, terwijl de achterste renners juist worden versneld.

Solitonen

In experimenten bij AT&T Bell Laboratories in New Jersey werden voor het eerst solitonen met een lengte van niet meer dan tien picoseconden (tien miljoenste van een miljoenste seconde) gegenereerd. Dergelijke korte pulsen zouden in principe de weg kunnen openen naar transmissiesnelheden van rond de honderd Gigabit per seconde. Maar juist voor solitonen is verlies van intensiteit fataal, omdat dat het delicate evenwicht tussen dispersie en het optisch Kerr-effect verstoort. Het zal dus duidelijk zijn dat in dit geval optische versterking zeer noodzakelijk is en dat opnieuw de erbium versterkers onschatbare diensten kunnen bewijzen. In een spannende competitie tussen AT&T en hun Japanse tegenhanger NTT werden in 1992 keer op keer afstands- en snelheidsrecords gebroken. Ook werden subtiele optische trucs ontwikkeld om het ontstaan van ruis tegen te gaan. Het Amerikaanse natuurkundetijdschrift Physics Today sprak begin dit jaar dan ook van een ware revolutie op het gebied van lichtvezel-communicatie. Volgens de redactie is de 'Gouden Eeuw van de fiberversterkers' aangebroken.