De volgende generatie optische vezels

Op het eerste gezicht zijn deze nieuwe materialen gewoon vreemd: dun als een haar, transparant en vol gaten. Net als de optische vezels die de steunpilaar zijn van de telecommunicatie-industrie, zijn ze gemaakt van glas. Maar daar komen de overeenkomsten met conventionele materialen tot stilstand.

Het centrum van elk van deze nieuwe vezels - die zijn gemaakt aan de Universiteit van Bath, in Engeland - is hol. In bestaande optische vezels wordt licht door een glazen kern doorgelaten. In de vezels die in Bath worden gemaakt, gaat het licht ongehinderd door de lucht. De lichtstraal wordt beperkt tot de holle kern door de gaten in het omringende glasmateriaal, dat er in dwarsdoorsnede uitziet als een honingraat en een strikt verboden gebied voor licht creëert. De mogelijkheid om op deze manier licht in de lucht te beperken, zegt Philip Russell, een natuurkundige uit Bath, zou een totale revolutie teweeg kunnen brengen in de telecommunicatie.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2001

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

De reden voor de opwinding is dat, in principe, het sturen van licht door de lucht in plaats van door glas de efficiëntie en capaciteit van de huidige snelle telecomnetwerken aanzienlijk zou kunnen verhogen. Deze nieuwe materialen, fotonische kristalvezels genoemd, zouden minder licht moeten lekken en intensere lichtpulsen moeten dragen zonder vervorming, waardoor het niet langer nodig is om een ​​signaal constant te versterken - een dure klus in de hedendaagse optische netwerken. Fotonische kristalvezels zouden in staat moeten zijn om veel meer informatie over glasvezelnetwerken te transporteren en tegelijkertijd de installatie- en onderhoudskosten te verlagen. Ze zullen naar bestaande vezels gaan zoals een 10-baans snelweg is naar een landweg. Ze zullen niet alleen meer verkeer in beslag nemen, maar de reis zal soepeler verlopen en er zal minder hoeven te worden getankt.

Het is nog vroeg in de ontwikkeling van deze nieuwe generatie optische vezels. Zelfs de meest geavanceerde van de nieuwe materialen blijven enkele jaren achter op wijdverbreid commercieel gebruik. Maar met zoveel op het spel staat optische telecommunicatie is een miljardenbedrijf - verschillende industriële laboratoria, waaronder Corning en een handvol startups, zijn op jacht naar hun eigen versies van fotonische vezels. Hoewel het nog te vroeg is om te voorspellen welke de overhand zal hebben, strijden rivaliserende benaderingen die zijn ontwikkeld aan de Universiteit van Bath en aan het MIT al tegen elkaar om de optische vezel van morgen te worden.

Deze inspanningen kunnen net op tijd vruchten afwerpen voor de telecommunicatie-industrie. De enorme uitbreiding van optische datatransmissie over lange afstanden in de afgelopen jaren, gevoed door de groei van internet en zijn bandbreedteverslindende toepassingen, heeft ertoe geleid dat onderzoekers manieren hebben gevonden om meer lichte en complexere signalen door optische vezels te schieten ( zien Golflengteverdeling multiplexen , TR maart/april 1999 ). Maar veel experts denken dat het de komende decennia onmogelijk wordt om nog meer prestatie uit de huidige generatie glasvezels te persen. Hoewel het moeilijk is om precies te voorspellen wanneer de wegversperring zal worden bereikt, gelooft Jim West, een wetenschapper bij de onderzoekslaboratoria van Corning in New York, zeker dat we die limieten zullen tegenkomen. En dat is wanneer de volgende generatie glasvezels cruciaal zal worden in het voeden van de schijnbaar eindeloze honger naar bandbreedte van de wereld.

Licht gesprek

Hoewel fotonische vezels anno 2001 een technologie van de volgende generatie zijn, gaat de geschiedenis van het overbrengen van spraakgegevens met behulp van licht meer dan een eeuw terug. Na de uitvinding van de telefoon in 1876, rustte Alexander Graham Bell niet op zijn lauweren. In 1880 toonde hij aan dat licht, in plaats van elektriciteit, iemands woorden naar een verre oor kan brengen. De fotofoon van Bell gebruikte trillende spiegels om geluid via zonlicht door te geven. Maar het was een idee lang voor zijn tijd. Het verzenden van elektrische signalen via koperen kabels bleek veel betrouwbaarder en de fotofoon werd grotendeels vergeten toen telefoonlijnen de wereld verstrikt raakten.

Na acht decennia van de suprematie van koperdraad, bracht de uitvinding van de robijnlaser in 1960 weer licht op de communicatieagenda. Hier was een bron die helder genoeg was om echt licht aan het werk te zetten. Net zoals de transistor het tijdperk van de micro-elektronica inluidde, luidde de laser het tijdperk van de fotonica in. In 1970 kondigde Corning trots aan dat het een laserstraal door een glasvezel had gestuurd en maar liefst één procent van het licht had teruggewonnen aan de andere kant, een kilometer verderop (de huidige glasvezels zijn zo efficiënt dat 80 procent van het licht dat zal overleven). afstand). In de jaren tachtig begonnen telefoonmaatschappijen koperen kabels te vervangen door optische vezels.

Een optische vezel kan duizenden keren meer data vervoeren dan een koperen kabel: in principe kan een enkele vezel tot 25 biljoen bits per seconde verzenden. Dat is genoeg capaciteit om alle telefoongesprekken te voeren die op elk moment in de Verenigde Staten plaatsvinden, met ruimte over. Geen wonder dat het wereldwijde web van informatietechnologie wordt geweven uit lichtdragend glas.

In een conventionele optische vezel wordt licht opgesloten in een binnenstaaf van silica door een bekleding van glas met een iets andere samenstelling dan die van de kern. Meestal worden kleine hoeveelheden germanium of fosfor aan de kern toegevoegd (een proces dat doping wordt genoemd), waardoor het een andere brekingsindex krijgt dan de bekleding. Licht dat op het grensvlak tussen kern en bekleding valt, wordt gereflecteerd, zodat het signaal heen en weer kaatst en binnen de kern blijft. Informatie wordt gecodeerd in een reeks pulsen van elektronisch gestuurde lasers en door de vezel naar een fotodetector aan het andere uiteinde gestuurd, die het signaal weer omzet in elektrische vorm voor verwerking in een telefoon, computer of routeringsapparaat.

Klinkt goed. Dus, waar is de vangst? Het is een kwestie van grenzen. Naarmate communicatienetwerken groter, drukker en ambitieuzer worden, worden de nadelen van conventionele glasvezels duidelijk en zullen bestaande glasvezelnetwerken het uiteindelijk niet aankunnen. Een factor die de prestaties beperkt, is het vervagen van het lichtsignaal over afstand. Een bepaalde hoeveelheid licht wordt verstrooid - onzuiverheden in het silica verstoren de transmissie van een deel van het signaal - terwijl het door de glazen kern gaat; ander licht ontsnapt gewoon helemaal uit de vezel, omdat het grensvlak tussen glaskern en bekleding geen perfecte spiegel is.

Als ze niet worden verholpen, zouden deze verliezen de glasvezelcommunicatie over lange afstanden verlammen: tachtig procent transmissie over een kilometer zou minder dan een spoor van een signaal achterlaten aan het uiteinde van een trans-Atlantische kabel. Het antwoord is om het licht elke 70 kilometer te versterken. Maar versterkers zijn duur, en ze hebben hun eigen stroombronnen nodig ( zien 5 patenten om in de gaten te houden: boostershots ). Elke versterker voegt doorgaans een miljoen dollar toe aan de prijs van een langeafstandstransmissielijn. Voor een kabel van duizenden kilometers lang begint dat op te tellen tot echt geld. En wanneer een versterker halverwege de Atlantische Oceaan uitvalt, zit er niets anders op dan een schip erop uit te sturen om de kabel op te baggeren. Het kost een fortuin om ze op de bodem van de oceaan te repareren, zegt Bath's Russell.

Deze ontmoedigende economische realiteit is de aanzet voor de ontwikkeling van de nieuwe generatie vezels. Cambridge, MA-based OmniGuide Communications, vorig jaar opgericht door verschillende MIT-professoren, beweert dat zijn nieuwe vezels de verliezen zo laag kunnen drukken dat er geen versterking nodig zou zijn. Bovendien zal volgens het bedrijf de bruikbare bandbreedte aanzienlijk groter zijn dan bij bestaande glasvezels. De truc is om de glaskern van de vezel te verwijderen en te vervangen door - nou ja, helemaal niets.

Pure lucht

Het klinkt zo vanzelfsprekend. Licht reist door de lucht met weinig verstrooiing. Dus waarom niet gewoon laserlicht door een holle glazen buis sturen? Het antwoord ligt in de natuurkunde. Om de interne reflectie te bereiken die nodig is om het licht in het midden van een conventionele optische vezel opgesloten te houden, moet de bekleding een lagere brekingsindex hebben dan het binnenste medium. Maar alle bekende materialen hebben een hogere brekingsindex dan lucht. Dus de conventionele opstelling werkt niet bij het maken van een holle vezel.

Dat betekent dat een onconventionele aanpak nodig is. Voer fotonische kristalvezels in. Wereldwijd zijn onderzoekers bezig met het maken van materialen die als lichtisolator werken, die ondoorlaatbaar zijn voor licht, net zoals de meeste kunststoffen ondoorlaatbaar zijn voor elektrische stromen. In het jargon van de natuurkunde hebben deze lichtisolatoren een fotonische bandafstand die overeenkomt met specifieke golflengten van licht; die golflengten kunnen het materiaal gewoon niet binnendringen. Indien correct gemaakt, zouden deze materialen - in tegenstelling tot de bekleding met glasvezels - vrijwel geen licht moeten laten ontsnappen uit een lege kern die erin is gewikkeld.

Natuurlijk zullen veel stoffen de doorgang van licht tegenhouden; maar dit komt over het algemeen omdat de materialen het licht gewoon absorberen in plaats van het te weerkaatsen. En hoewel je metalen spiegels - verzilverd glas - zou kunnen beschouwen als goede lichtreflectoren, is de waarheid dat ze lang niet reflecterend genoeg zijn om in glasvezel te werken; ze absorberen en dissiperen een klein maar significant deel van een inkomende straal. Een lichtsignaal dat door een met zilver beklede glazen buis reist, zou slechts een korte afstand afleggen voordat het volledig zou worden verspreid. Aan de andere kant blokkeren fotonische bandgap-materialen alle fotonen van bepaalde golflengten; het invallende licht wordt bijna perfect gereflecteerd. Met andere woorden, ze zijn precies wat je nodig hebt om het licht in een holle buis op te sluiten.

In 1998 fabriceerde Yoel Fink, toen een MIT-afgestudeerde student, een perfecte spiegel uit een fotonisch-band-gap-materiaal. Anderen hadden eerder gespecialiseerde spiegels gemaakt van dunne lagen diëlektrische materialen (materialen die elektrisch geladen deeltjes bevatten maar isolerende eigenschappen hebben). Deze spiegels hebben fotonische bandopeningen en kunnen uiterst efficiënte reflectoren zijn, maar ze hebben een grote tekortkoming: ze werken alleen met licht dat absoluut naar voren valt, waardoor het gebruik ervan wordt beperkt tot gespecialiseerde toepassingen. Fink bedacht hoe hij een versie kon maken van een diëlektrische spiegel die licht reflecteert dat vanuit alle hoeken naar hem toe komt, zoals het materiaal zou moeten in de kern van een glasvezeldraad.

Als je eenmaal zo'n spiegel hebt, is het zien van het commerciële potentieel (althans voor fotonica-onderzoekers) duidelijk. Fink en een paar van zijn MIT-professoren, natuurkundige John Joannopoulos en materiaalwetenschapper Edwin Thomas, hebben samen met Uri Kolodny OmniGuide opgericht. Het doel van het bedrijf is om de perfecte spiegel te gebruiken als bekleding voor een optische vezel. Stel je voor dat je een platte spiegel neemt en deze rond de binnenkant van een buis buigt, en je hebt een ruwe afbeelding van een OmniGuide-vezel.

Dus hoe klein zijn de lichtverliezen in zo'n vezel van de volgende generatie? Omdat het bedrijf nog in de kinderschoenen staat, houden de oprichters die informatie dicht bij hun borst. Het enige wat ik op dit moment vrij kan zeggen, zegt Joannopoulos, is dat we met een holle buis OmniGuide [vezel] in principe minder verliezen zouden kunnen behalen dan optische vezels. Maar voor een telecomindustrie die steeds meer licht door optische netwerken wil sturen - en uiteindelijk geconfronteerd wordt met de grenzen van de huidige generatie glasvezels - zijn zelfs zulke zorgvuldig geformuleerde uitspraken verleidelijk.

Het bedrijf ontwikkelt een serie vezelproducten op basis van het OmniGuide-concept. Deze vezels zijn in theorie veel efficiënter in het doorlaten van licht dan een standaard optische vezel. Ze zouden inderdaad in staat moeten zijn om de huidige beperkingen van glasvezels te overwinnen en onder andere minder signaalverlies te bereiken als het licht door de vezel reist. Zo'n verhoogde prestatie is mogelijk, zegt Fink, nu een assistent-professor materiaalkunde aan het MIT, omdat we een ongeëvenaarde mate van opsluiting kunnen bereiken.

De OmniGuide-vezels moeten veel intensere signalen kunnen overbrengen dan normale optische vezels. Licht met hoge intensiteit dat door glasvezels reist, lijdt aan vervormingen die de transmissie van signalen op verschillende golflengten kunnen verstoren, waardoor overspraak tussen kanalen ontstaat, tenzij ze ver uit elkaar zijn in frequentie. Dit effect beperkt het aantal verschillende golflengten dat je in een conventionele glasvezel kunt stoppen, en ook hoe helder ze kunnen zijn. Omdat signalen in de lucht deze effecten niet hebben, legt Fink uit, kan de OmniGuide-vezel signalen met hogere vermogens overbrengen, met kanalen die dichter bij elkaar zijn geplaatst. Dat is geweldig nieuws voor telecombedrijven, aangezien sterkere signalen verder reizen voordat verliezen ze in gevaar brengen, en nauwere kanalen betekenen dat meer gegevens binnen een bepaald golflengtebereik kunnen worden verpakt.

De MIT-aanpak is echter maar één manier om een ​​fotonische vezel te maken. Andere onderzoekers hebben fotonische bandgap-materialen geproduceerd die, in dwarsdoorsnede, zijn als een honingraat waarin de gaten structuren vormen die de toegang tot licht van bepaalde golflengten weigeren. Dit soort fotonische kristallen, voor het eerst gemaakt aan het eind van de jaren tachtig, blokkeren het licht ook bijna volledig. De glasvezels die in Bath zijn gemaakt, worden bijvoorbeeld doorboord door een geordende reeks gaten die over de gehele lengte evenwijdig aan de draad lopen; in het midden bevindt zich een lege kern waarin licht bijna perfect kan worden opgesloten. Om een ​​indicatie te geven van de precisie die nodig is bij het maken van de vezels: als de lange, evenwijdige gaten de diameter zouden hebben van de Kanaal die Engeland en Frankrijk verbindt, zouden de experimentele vezels die in Bath zijn gemaakt, Jupiter bereiken. Hoe boor je zulke perfecte tunnels door een glazen streng die dunner is dan een mensenhaar?

Gelukkig hoeven de gaten helemaal niet geboord te worden. Ze zijn ingenieus geconstrueerd door de glasvezels uit een bundel holle capillaire buisjes te trekken. De buizen zijn samengepakt in een zeshoekige reeks van enkele centimeters breed en de bundel wordt verwarmd om het glas zacht te maken. Als de array wordt uitgetrokken tot een fijne vezel, wordt de dwarsdoorsnede ervan met een factor duizend verkleind, maar blijft er gaten in zitten.

Aanvankelijk maakten de natuurkundigen van Bath een lichtgeleidend kanaal in de kern van de vezel door een massief glazen staafje te vervangen door het centrale glazen capillair. Maar nog steeds beter dan het licht in een massieve kern te dragen, zou zijn om het door een holle kern door de lucht te sturen, met de zeer lage verliezen en afwezigheid van vervorming die dat met zich meebrengt. In samenwerking met Douglas Allan, een onderzoeker bij Corning, slaagde het Bath-team erin om in 1999 lichtopsluiting te bereiken in een holle-kern fotonische kristalvezel. Onlangs hebben ze optische vezels gevormd van vele meters lang uit hun nieuwe materialen.

Fotonische afwerking

Het overnemen van bestaande glasvezels zal een hele opgave zijn. Conventionele glasvezels zijn gedurende meerdere decennia geoptimaliseerd en worden gemaakt met behulp van diepgewortelde technologie. Daarentegen vertegenwoordigen de nieuwe fotonische vezels een onbekende fabricage. Om te beginnen moet hun structuur exact zijn. De bestaande [fabricage]systemen zijn er simpelweg niet tegen opgewassen, geeft Russell toe.

Toch staan ​​bedrijven in de rij om de commercialiseringsuitdagingen aan te gaan. Fink zegt dat OmniGuide werkt aan een reeks producten op basis van vezels van verschillende lengtes. Projecten omvatten de ontwikkeling van op glasvezel gebaseerde apparaten voor optische schakeling, evenals de ontwikkeling van vezels voor lichttransmissie over 10 tot 100 meter, die nuttig kunnen zijn voor taken zoals het verbinden van servers over korte afstanden. Langeafstandsvezels voor telecomnetwerken zullen de grootste impact hebben, zegt Fink, maar dat kost wat tijd.

Onderzoekers van de Bath-groep hebben hun eigen spin-off, BlazePhotonics, gelanceerd en hebben financiering gekregen van durfkapitaalbedrijven in het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten. In Denemarken maakt een bedrijf met de naam Crystal Fibre, opgericht door wetenschappers van de Technische Universiteit van Denemarken in Lyngby, die vroege medewerkers waren van de Bath-groep, fotonische vezels met een vaste glazen kern. Hoewel de oorspronkelijke producten ervan kunnen dienen als het beperken van licht in uiterst nauwkeurige lasers, verliest niemand de grote prijs uit het oog. Telecommunicatie is zeker het doel op middellange termijn, zegt CEO Michael Kjaer.

Net als de oprichters van het Deense Crystal Fibre, hebben wetenschappers van Corning in het verleden nauw samengewerkt met de Bath-onderzoekers, maar nu racen ze op eigen kracht naar de markt. Jim West meldt dat het bedrijf nu fotonische vezels tot honderd meter lang kan maken. Maar hij behoudt zijn oordeel over de vraag of de nieuwe materialen uiteindelijk de informatiesnelweg zullen transformeren. Conventionele optische vezels, benadrukt hij, zijn een moeilijke opgave om te overtreffen. Pas als je met de state-of-the-art versies gaat werken, besef je hoe bijzonder ze zijn.

Hoewel het sturen van licht door de lucht veel van de beperkingen van de hedendaagse vezels kan oplossen, brengt het zijn eigen problemen met zich mee. Om te beginnen is de samenstelling van lucht niet uniform; als gevolg hiervan kan licht in verschillende delen van de wereld anders worden doorgelaten. Lucht in het VK is heel anders dan lucht in de Sahara, legt West uit.

Het is een fascinerende technologie, zegt West van de nieuwe generatie fotonische kristalvezels, maar er is nog een lange weg te gaan.

Maar als deze nieuwe materialen uiteindelijk hun potentieel vervullen om de langeafstandstransmissie in de telecommunicatie-industrie te transformeren, zal het een reis zijn die de moeite waard is.

zich verstoppen