Opgeklopte haast

Deze week presenteerde een Amerikaanse onderzoeksgroep met veel publicitair geweld een methode die elektrische signalen in hoog tempo omzet naar optische communicatie-stromen in glasvezels. Een doorbraak of opgeklopte wetenschap?

`DIT DEVICE maakt real-time communicatie via het web pas echt mogelijk. Wachten tot je computer zelfs de grootste files heeft gedownload is er niet meer bij. Onze opto-chip heeft de potentie de manier waarop we allen functioneren radicaal te veranderen.' Larry Dalton, chemicus aan de Universiteit van Washington en die van Southern California, kwam deze week superlatieven tekort om het belang van zijn elektro-optische modulator onder de aandacht van het publiek te brengen. ``Deze technologie betekent een doorbraak.''

Afgelopen vrijdag publiceerde de groep van Dalton in Science een methode die elektrische signalen met een tempo van 100 gigabit per seconde vertaalt naar lichtpulsjes die een glasvezelkabel worden ingestuurd. Die capaciteit is meer dan een miljoen ISDN-lijnen op dit moment aankunnen. Bovendien werkt het Amerikaanse device, een elektro-optische modulator of opto-chip, bij een spanning van minder dan een volt, wat de elektronica die hem aanstuurt van een hoop moeilijkheden verlost. Dit alles is te danken aan speciale organische moleculen, chromoforen genoemd, die ingebed zijn in een polymeer-structuur. Na tien jaar onderzoek, aldus Dalton, is het eindelijk gelukt de zeer gunstige elektro-optische eigenschappen van deze chromoforen, die verwant zijn aan de kleurstofmoleculen in zuurtjes, te benutten voor een supersnelle omzetting van elektrische naar optische signalen.

De telecomcommunicatie groeit sinds enkele jaren explosief. Werd deze tot 1996 beheerst door gewone (spraak-)telefonie, tegenwoordig is het dataverkeer de dominante factor. ``Iedereen is als een gek in de weer met het ontwikkelen van hardware om die groei in capaciteit mogelijk te maken'', zegt Meint Smit, aan de TU Delft hoogleraar op het gebied van optische communicatietechnologie. ``Werken aan een hoge bit-rate staat voorop.''

Bij elektro-optische technieken wordt een (digitale) elektrische datastroom, bijvoorbeeld een computerbestand of een tv-kanaal, via een opto-chip die modulator wordt genoemd, vertaald naar een stroom lichtpulsjes in een glasvezelkabel. Aan het begin van het systeem staat een infraroodlaser die een continue bundel in een optische geleider stuurt. De modulator hakt deze infraroodbundel in pulsjes, en wel in de maat van het elektrische signaal. Het achterliggende principe is dat het elektrische signaal via elektrodes een wisselend veld op de optische golfgeleider zet dat de brekingsindex beïnvloedt. Smit: ``De gangbare manier om dat voor elkaar te krijgen is door toepassing van optische golfgeleiders van lithiumniobaat, of een halfgeleidermateriaal. Een elektrisch veld over de dunne lichtgeleidende laag van dat materiaal veroorzaakt een zekere verandering van optische eigenschappen die je kunt benutten om het optische signaal al dan niet door te laten. Met deze technologie zijn datastromen van 40 gigabit per seconde mogelijk.''

De groep van Dalton gebruikt een vergelijkbaar principe, maar dan op basis van een golfgeleider van chromoforen in een polymeerstructuur. Chromoforen zijn organische moleculen. Sommige kunnen in aanwezigheid van een elektrisch veld een bepaalde richting aannemen, net als in een kristallijn materiaal, en zo eveneens de waarde van de brekingsindex beïnvloeden. Het verschil met lithiumniobaat en halfgeleider-modulatoren is dat datastromen van meer dan 100 gigabit per seconde mogelijk zijn. De benodigde spanning van de nu gepresenteerde modulator is minder dan 1 volt. Smit: ``Een golfgeleider van lithiumniobaat heeft 5 volt nodig en als je 40 gigabit per seconde of meer wilt halen geeft dat al snel problemen met de elektronica: het wordt te warm. Halfgeleidermodulatoren werken met 2 volt maar veroorzaken meer verlies. De spanning terugbrengen tot beneden de 1 volt is een sterke troef. Maar dan moet die technologie op basis van chromoforen tot een betrouwbaar product leiden en daar heb ik mijn twijfels over.''

Dalton zegt na jaren van onderzoek eindelijk de juiste vorm van de chromoforen te pakken te hebben, maar over een netelige kwestie laat hij zich niet uit. Het grote probleem met de chromoforen is, aldus Smit, hun stabiliteit op de lange termijn. ``Daar zijn in het verleden altijd moeilijkheden mee geweest. Chromoforen moet je richten en als het materiaal warm is hou je die toestand niet vast zodat na een paar maanden de zaak begint te verlopen en je modulator niet goed meer werkt. Akzo Nobel, dat tien jaar geleden ook met onderzoek naar de toepasbaarheid van chromoforen begon, was erin geslaagd om dat probleem op te lossen maar is vanwege andere stabiliteitsproblemen er weer mee gestopt. Zo worden bij hoge lichtintensiteiten in het polymeer zuurstofradicalen gegenereerd die zich op agressieve wijze tegen de kleurstofmoleculen richten en ze aantasten. In het Science-artikel van Dalton lees ik dat het bij hen met de stabiliteit al boven de 65 graden Celsius fout gaat. Die temperatuur is veel te laag, zodra die modulator flink in de zon staat is hij kapot. Dat geven de Amerikanen ook toe, maar hun hoop dat ze het beter kunnen krijgen dan die 65 graden Celsius vind ik toch wishful thinking.''

pr-geweld

Een ander probleem met de technologie van de groep van Dalton is de vraag of hij welkom is. Smit: ``Wat heb je aan een modulator die tien keer zo snel kan dan de elektronica waarmee je hem aanstuurt? Misschien vertrouwen ze erop dat de elektronica sneller wordt, maar op dit moment is dat nog een moeilijke zaak. Ook voor glasvezels betekenen 100 gigabit een probleem: het leidt tot zeer korte pulsjes en om die ongeschonden door de kabel te krijgen en aan de andere kant netjes te detecteren vergt dure extra voorzieningen. De huidige praktijk is parallellisme. Daarbij stuur je meerdere golflengtes op afstanden van 100 gigahertz van elkaar tegelijk door de kabel. Er zijn al commerciële systemen op de markt die in 80 golflengtes steeds 2,5 gigabit wegzetten, dan praat je over 200 gigabit per seconde. In zo'n parallelle aanpak past maximaal 40 gigahertz per golflengte. De technologie van Dalton sluit daar dus niet bij aan, momenteel is er geen markt voor. Het is interessant wetenschappelijk werk wat ze doen, maar het rechtvaardigt volstrekt niet het pr-geweld waarmee het wereldkundig is gemaakt.''