Lichtagent

Internet staat vol wachtrijen. Eindhovense natuurkundigen bouwden een volledig optische schakelaar die in staat is met die wachtrijen af te rekenen.

Internetverkeer kan veel sneller. Het mooiste zou zijn wanneer de bits met de lichtsnelheid zonder onderbreking via het spinnenweb van glasdraden van het ene naar het andere einde op de wereld reizen. Dat ideaal lijkt nabij: natuurkundige Harm Dorren van de Technische Universiteit Eindhoven bouwde een experimentele opstelling waarmee internetberichten duizend keer sneller dan nu door de knooppunten in het glazen spinnenweb zijn te leiden.

Wachttijden bij het downloaden worden vooral veroorzaakt door wachtrijen bij knooppunten in het glasvezelnet. Dat ligt niet aan de glasvezel, die heeft ruimte en snelheid genoeg elke Nederlander kan per seconde veertigduizend mails met de lichtsnelheid naar Amerika sturen voordat een enkele vezel onder de Atlantische Oceaan vol raakt. Mis gaat het bij de kruisingen tussen glasvezels. Daar vormen zich wachtrijen. Ze hebben iets weg van de files die Nederland zouden teisteren als op de verkeerspleinen in het snelwegennet een verkeersagent elke auto zou vragen waar hij naartoe moet, om hem vervolgens de weg te wijzen.

Die verkeersagent is in het huidige glasvezelnetwerk de computer. Alle lichtberichten uit de vezel worden op een knooppunt in het web, een zogeheten router, omgezet in elektrische spanninkjes. In die vorm kan de computer ze inlezen, verwerken en weer als lichtflitsjes op de goede vezel wegsturen. Op licht is niet zo makkelijk vat te krijgen.

intelligent licht

Terwijl glasvezels straks miljard berichten per seconde kunnen doorvoeren, kan een computer er hoogstens een miljoen per seconde verwerken. Het is op een knooppunt dus net alsof de maximumsnelheid ineens terugvalt van honderd kilometer naar honderd meter per uur geen wonder dat de wachttijden bij routers enorm oplopen.

``Wij zetten snelle lichtberichten daarom niet langer om in trage elektrische berichten,'' zegt Dorren. In Dorren's opstelling is licht als het ware `intelligent' geworden. Gesigneerde pakketjes slaan rechtsaf, ongesigneerde linksaf. De berichten stellen zelf hun baan door het knooppunt in.

``We hebben het eerste optische schakelstation voor internetverkeer gebouwd,'' zegt Dorren. ``Onze opstelling bestaat uit lasers en rollen glasvezel. Het geheel is echter makkelijk op een chip te etsen. Zo'n chip kan miljarden boodschappen per seconde door schakelen. Dat is duizend keer zo snel als de computer kan. De datastroom gaat zonder af te remmen door het schakelstation heen.''

Het optische schakelstation moet twee taken uitvoeren. Hij moet allereerst het adres van berichten lezen. Daarna hoort hij de goede berichten op de goede glasvezel te zetten, dat wil zeggen: goed door te schakelen. Hoe doe je dat met alleen licht?

Een lichtbericht in de glasvezel bestaat uit een rij lichtflitsjes die elkaar in de tijd opvolgen. Deze flitsjes zijn extra piekjes en dalen in een continue stroom licht van een bepaalde kleur. De allereerste lichtflitsjes zijn het adres, de zogeheten header. Hierna volgt de inhoud, zeg maar de brief. Dorren: ``We maken eerst een kopie van het bericht. Dat zetten we in de wacht: het is als het ware de brief, die we even achterhouden. Van het andere bericht gaan we het adres aflezen.''

De lezer van het adres is een lichtversterker. Het bericht wordt daar doorheen geleid. Het apparaatje versterkt alleen bij een nauwkeurig bepaalde code in het adres. ``Die versterker,'' zegt Dorren, ``geeft een herkenningsflits als in het adres twee lichtpulsjes zitten met een specifieke tijdsduur tussen beide. Maar ook alleen in dat geval. Bij alle andere lichtpulsjes geeft de versterker geen flits af.''

De herkenningsflits is het sein om te schakelen. Is er een herkenningsflits, dan moet het bericht linksaf; is die er niet dan moet het rechtsaf. Eén herkenningsflits per splitsing is genoeg. Immers, een schakelstation is zo in te stellen, dat berichten zonder teken altijd rechtsaf gaan; bij het teken wordt de weg naar links ingesteld.

Maar hoe `stuur' je na die herkenning de berichten naar de goede vezel? De onderzoekers gebruiken daarvoor de kleur van het licht. Klopt de kleur met de bestemming, dan kan het bericht op de goede glasvezel worden gezet. Intelligentie is daarvoor niet nodig: er zijn al optische chips op de markt met prisma's, luikjes of spiegeltjes die een lichtbericht afhankelijk van zijn kleur naar de goede glasvezel leiden. Voor het gemak hebben de makers van deze chips deze chips ook `all optisch' gedoopt.

``Onze zogeheten Lambda Router,'' vertelt Rob Smets van Lucent Technologies, ``noemen we `all optisch' omdat deze alleen uit glas bestaat. Maar we moeten erkennen: de chip is niet intelligent. De netwerkbeheerder moet namelijk met `elektrische signalen' de spiegeltjes goed zetten.''

Dat betekent dat internetverkeer, waarvan het adres steeds moet worden afgelezen, nog steeds in de wachtrij moet. Juist dat verkeer groeit sterk. Dit jaar haalde het zelfs in omvang het telefoonverkeer in.

De Eindhovenaren kunnen wél helemaal optisch schakelen. Ze gebruiken de herkenningsflits van de versterker om de kleur goed te zetten. Die kleurschakelaar is bedacht door Dorrens medewerker Martin Hill. ``Onze schakelaar,'' zegt Hill, ``bestaat uit twee lasers die naar elkaar staan te kijken. De ene zendt bij wijze van spreken rood licht, de ander groen.'' Hill benut een kenmerkende eigenschap van lasers. Lasers ontlenen hun werking uit het feit dat ze licht samenpakken in één grote golf, zeg maar in een vloedgolf van licht. Daarvoor moet de kleur wel precies passen tussen de spiegelende uiteinden van de laser.

``Leid je het licht van een groene laser in een rode, en omgekeerd, dan is er altijd een de leider,'' zegt Hill. ``Staat de rode aan, dan slaat deze de groene lam. Rood licht in een groene laser wordt namelijk versterkt en verbruikt het vermogen, maar past niet tussen de spiegelende uiteinden. De groene vloedgolf zakt daarom in elkaar. Hetzelfde geldt voor groen licht in een rode laser. Twee elkaar bespiedende lasers zenden daarom beide rood, of beide groen licht.''

machtswisseling

Schakelen komt nu neer op een leider uit balans brengen. Het machtsevenwicht tussen beide is namelijk nogal kritiek. Wankelt de ene maar even, dan is die subiet zijn macht kwijt aan de ander. ``Voor zo'n machtswisseling is de herkenningsflits van Dorren voldoende,'' zegt Hill. ``Deze is noch rood, noch groen. Eventjes eet de herkenningsflits de achterban van de ene leider weg, en meteen neemt de andere leider het over. Je schakelt zo van rood naar groen. Met een echo van de herkenningsflits schakel je aan het einde weer terug.'' De ingestelde kleur schuift tenslotte onder de achtergehouden brief en wordt hierna op de goede vezel gezet. Zo is de eerste volledig optische internetverkeersagent een feit.

Dorrens opstelling wordt nu op een chip geëtst. ``De versterker en lasers maken we met plakken indium-fosfide. Die minilasers spuwen licht van een precieze kleur'', zegt Jos van der Tol van de Technische Universiteit Eindhoven. ``We kunnen bovendien versterkers maken die steeds andere bits in het adres aflezen. Het lichtbericht gaat dan door een rij van zulke versterkers. Bij goede adresseringen is het mogelijk naar talrijke vezels door te schakelen.''

Smets van Lucent Technologies voorziet nog wel enige problemen voordat de router in het netwerk kan worden ingebouwd. ``Zo'n router is nog erg duur: één enkele laser op een chip kost al snel veertigduizend gulden. Ook vormt de adressering een probleem. Het IP-protocol, dat nu het adres codeert, is niet zomaar aan te passen. Om Dorrens router te gebruiken zou het internetverkeer nog een extra header moeten krijgen.''

    • Henk Klomp