Einstein had het al voorspeld

Dankzij laserlicht kan in één seconde de jaargang van een krant worden doorgezonden. Of zes uur muziek op een klein schijfje worden gezet.

DE HOEVEELHEID INFORMATIE die we aan elkaar doorsturen verdubbelt elke twee à drie jaar. Computernetwerken en telefoonkabels moeten steeds meer kunnen verwerken om te voorkomen dat communicatiekanalen verstopt raken. Overal gaan de straten daarom open om glasvezels aan te leggen. Die hebben een veel grotere capaciteit dan koperen kabels.

Communicatie via glasvezelkabels verloopt geheel met licht. Laserlicht schijnt aan één kant in de doorzichtige vezel, het licht verplaatst zich razendsnel door het kabeltje en aan de andere kant vangt een detector het licht weer op. Door het laserlicht snel aan en uit te schakelen, kan informatie worden overgeseind, in een moderne variant op de morsecode. Met lichtsignalen gaat dat duizenden malen zo efficiënt als met elektrische signalen door een koperen kabel. In de huidige glasvezels kunnen meer dan een miljard lettertekens per seconde worden overgezonden, evenveel als één jaargang van een krant bevat.

Licht is efficiënter dan elektriciteit, omdat lichtdeeltjes beter in het gareel lopen dan elektronen. Wie probeert om een paar miljard stroompulsjes per seconde door een koperen kabel te persen, ontdekt al gauw dat alle elektronen door elkaar gaan lopen. De morsecode is dan aan de andere kant van de kabel niet meer te ontcijferen. Dat zou normaal ook met licht gebeuren, maar het gebruik van een laser zorgt ervoor dat de lichtpulsjes keurig van elkaar gescheiden blijven.

Dat komt door een bijzondere eigenschap van laserlicht. Alle lichtdeeltjes die uit een laser komen, lopen precies met elkaar in de pas en hebben dezelfde kleur. Dat zorgt voor een bijzonder krachtige, heldere lichtbundel. Dat is het grote verschil met een gloeilamp. Bij een gloeidraad vliegen de lichtdeeltjes verschillende kanten op en hebben ze alle kleuren van de regenboog. Het licht van een gloeilamp is daarom veel minder geconcentreerd.

Einstein had dit bijzondere gedrag van een laser al in 1917 voorspeld. Zijn collega's hadden waargenomen dat atomen onder bepaalde omstandigheden lichtdeeltjes kunnen uitzenden. Door de bijzondere bouw van atomen heeft dit licht precies één zuivere kleur, die voor elk soort atomen verschillend is.

Einstein bedacht wat er zou gebeuren als zo'n lichtdeeltje tegen een ander atoom botst. Hij becijferde dat het tweede atoom dan ook een lichtdeeltje zou uitzenden. De twee lichtdeeltjes vervolgen gezamenlijk hun weg, precies in dezelfde richting. Even verderop botsen ze tegen weer andere atomen. Die zenden vervolgens in totaal vier lichtdeeltjes uit. Bij elke volgende botsing verdubbelt zo het aantal lichtdeeltjes. Op die manier ontstaat in korte tijd een krachtige lichtbundel met een heel peloton lichtdeeltjes.

Dat is precies wat je nodig hebt voor glasvezelcommunicatie. Pas in de jaren zeventig lukte het echter om compacte lasers te maken, uit het materiaal dat ook voor transistoren en andere elektronica wordt gebruikt. In een klein stukje materiaal, vergelijkbaar met een chip, worden de structuren uitgeëtst die nodig zijn om het laser-effect te bereiken.

Vooral industriële laboratoria waren geïnteresseerd in de kleine lasertjes. De cd-speler, die Philips in diezelfde tijd ontwikkelde, is ondenkbaar zonder de bijzondere eigenschappen van halfgeleiderlasers. Door de zuivere kleur en de kleine lichtstraal van de lasers kan de informatie op de cd heel precies worden afgelezen.

De laser schijnt op het spoor van minuscule kuiltjes op de cd. Het putjesspoor bevat de muziekinformatie in een soort morsecode, net als de flitsjescode die de communicatie door een glasvezel regelt. De nauwkeurigheid van een laser maakt dat de putjes dicht opeen op een cd worden aangebracht, waardoor er miljarden putjes op het schijfje passen. Het gereflecteerde licht varieert ritmisch, precies in de maat met het putjespatroon. Een detector naast de laser vangt de reflecties op, en geeft deze morsesignalen door aan de elektronica. Die zet de signaaltjes volgens een vaste omrekentabel om in toonhoogtes.

De details van deze omrekentabel vormden het onderwerp van intensieve onderhandelingen tussen Sony en Philips in de jaren zeventig. Beide partijen realiseerden zich al gauw dat ze de morsecode voor meer konden gebruiken dan alleen het vastleggen van muziek. Bijvoorbeeld voor computerbestanden. In de loop der jaren is daarvoor een aantal verschillende varianten uitgewerkt, waaruit uiteindelijk de huidige cd-rom is voortgekomen. Met een cd-speler, ingebouwd in een computer, kunnen de computerbestanden van een cd-rom rechtstreeks worden gelezen.

Inmiddels is ook de opvolger van de cd (en de cd-rom) aangetreden. Deze kan acht keer zoveel informatie bevatten, doordat nauwkeurigere lasertypes ontwikkeld zijn. De precisie waarmee lasers informatie kunnen aflezen, hangt namelijk af van hun kleur. De oorspronkelijk cd-spelers hebben een infrarode laser. Dat zijn de gemakkelijkste types om te fabriceren, maar ze hebben ook de minste precisie. Sinds 1997 is de DVD (digital video disc of digital versatile disc) op de markt met helderrode lasers, die viermaal zo gedetailleerd informatie kunnen aflezen als de huidige. Die grote opslagcapaciteit biedt allerlei nieuwe mogelijkheden. Op het schijfje past meer dan zes uur muziek, maar ook een speelfilm van twee uur.