Lasers, licht en communicatie
door Ontwaakt!-correspondent op de Britse Eilanden
LICHT — hoe kostbaar, ja zelfs onmisbaar voor de mens! Ons leven hangt ervan af, want zonder licht van de zon, die grote krachtcentrale van ons zonnestelsel, zou alle leven op aarde ten slotte ophouden te bestaan. Ongetwijfeld dank zij de grote schoonheid die het licht in zijn eindeloze verscheidenheid van kleuren en uitingsvormen bezit, heeft de mens al sinds de vroegste tijden gevorst naar een dieper inzicht in de aard ervan. Tegelijk heeft hij ook wegen gezocht om licht te produceren en er nog meer nuttige toepassingen voor te vinden.
Een van zijn fascinerendste ideeën werd in de jaren ’60 werkelijkheid. Deze gebeurtenis, die ook zelfs buiten de wereld van de wetenschap sterk tot de verbeelding sprak, was de uitvinding van de laser. De eerste laser die met succes tot werken werd gebracht, in 1960, maakte gebruik van robijn als materiaal en produceerde een rode lichtstraal, maar tegenwoordig kunnen vele materialen worden gebruikt: kooldioxide, water, helium, argon — elk met zijn eigen karakteristieke kleur licht.
Waarin verschilt het licht dat door een laser wordt geproduceerd van dat van andere lichtbronnen? En welke praktische toepassingen hebben lasers op het moment gevonden?
In wezen bezitten lasers twee eigenschappen die bij geen enkele andere lichtbron in die mate aangetroffen worden. Ten eerste zendt een laser zijn licht niet naar alle kanten uit zoals een gloeilamp, maar beperkt het tot een smalle, intensieve lichtbundel, niet dikker dan een potlood. Ten tweede is dat licht zelf bijzonder zuiver of „coherent” — te vergelijken met het ten gehore brengen van één enkele zuivere toon op een muziekinstrument in plaats van vele tonen tegelijkertijd.
Vanwege deze speciale eigenschappen hebben lasers op verschillende terreinen toepassing gevonden. Zo heeft men de smalle, nauwelijks uiteenwijkende bundel licht van een laser gebruikt om de afstand van de maan tot de aarde te meten door een lichtbundel vanaf een 60-inch (152-cm) telescoop te richten. De afstand werd tot op minder dan 25 mm zuiver gemeten! De hoge intensiteit van het licht maakt lasers heel bruikbaar voor snijden en lassen. Krachtige kooldioxide-lasers kunnen papier, textiel en zelfs diamant snijden en dikke stalen platen kunnen in een ogenblik vastgelast worden. Op het gebied van de geneeskunde zijn nu lasers als ’operatiemes’ in gebruik. Ze kunnen met grotere nauwkeurigheid gehanteerd worden dan het gebruikelijke operatiemes en hebben bovendien het voordeel dat de bundel zelf het bloed doet stollen, zodat het afklemmen van de bloedvaten onnodig wordt. Het weer vastlassen van een losgeraakt netvlies van het oog wordt nu als regel met behulp van een argonlaser gedaan, en in de keel zijn experimenteel al uiterst precieze operaties aan de stembanden verricht.
Maar misschien wel een van de opwindendste en meest verstrekkende toepassingen van lasers en bepaalde andere soorten lichtbronnen begint nu vorm aan te nemen. Geleerden hebben reeds communicatiesystemen gerealiseerd waarbij licht de drager van informatie is. Er zijn reeds proefsystemen in bedrijf waarin telefoon- of televisiesignalen doorgeseind kunnen worden met behulp van licht dat zich door een glasvezel verplaatst in plaats van elektriciteit door een koperdraad. En de verwachting is feitelijk dat in het begin van de jaren ’80 dergelijke communicatiesystemen met lichtsignalen algemeen toepassing zullen vinden in het telefoonverkeer.
Hoe is het mogelijk om door middel van licht met elkaar te spreken? Welke voordelen biedt deze methode en hoe zal dit op ons dagelijkse leven van invloed zijn? Laten wij eens precies bekijken hoe men deze zogenaamde optische communicatie heeft ontwikkeld. Eerst zullen wij dan een korte beschouwing moeten wijden aan de natuurkundige eigenschappen van het licht zelf waaruit zal blijken dat licht in bepaalde opzichten heel veel overeenkomst vertoont met de golven die reeds algemeen voor communicatie gebruikt worden.
Wat is licht?
In 1864 slaagde James Clerk Maxwell, een Schotse natuurkundige, erin om de wetten van de elektriciteit en het magnetisme te verenigen. Hij ontdekte dat deze wetten zoals hij ze nu had samengevoegd, het bestaan van verschillende soorten golven voorspelden. Eén hiervan werd geïdentificeerd als licht, maar andere, die toen nog onbekend waren, werden later pas ontdekt en zijn nu bekend als radiogolven, radargolven en röntgenstralen, stuk voor stuk vormen van straling die niet zichtbaar zijn.
Maxwells theorie leverde het bewijs dat al die verschillende soorten golven, met inbegrip van licht, van overeenkomstige aard zijn; ze bestaan alle uit elektrische en magnetische krachten die in trilling zijn. Het verschil tussen laten wij zeggen een lichtgolf en een radiogolf is alleen de snelheid of de „frequentie” van de trillingen. In een lichtgolf trillen de krachten ongeveer 100 miljoen maal sneller dan in een gemiddelde radiogolf.
Dus zoals een radiogolf de drager kan zijn van de signalen voor de muziek en beelden van onze radio en televisie, kan men een lichtgolf, door toepassing van ongeveer dezelfde principes en technieken, daar ook voor aanwenden. Maar omdat de frequentie van licht zo hoog is, is licht, wanneer het coherent is, in theorie verre superieur. In aanleg bezit het de mogelijkheid om een enorme hoeveelheid informatie te dragen, veel meer dan een radiogolf kan. Het was de hoop deze mogelijkheid te realiseren, die geleerden ertoe heeft aangezet om al spoedig na de uitvinding van de laser de mogelijkheid van optische communicatiesystemen te onderzoeken.
Hoe zou het licht overgeseind moeten worden?
Een van de eerste belangrijke problemen waarop men stuitte bij de ontwikkeling van een praktisch systeem, was dat van de transmissie, het overseinen, van de bron naar de ontvangers. Al gauw kwam men tot het inzicht dat overseinen van de laserstraal rechtstreeks door de atmosfeer (zoals dat met radiogolven wordt gedaan) noch betrouwbaar noch praktisch was. Over grote afstand kan mist, regen, wolken of sneeuw de bundel verstrooien of tegenhouden, maar zelfs al bij helder weer kunnen temperatuurvariaties in de atmosfeer de bundel doen afbuigen. Bovendien zouden heel precies gerichte spiegels nodig zijn om de bundel om hoeken te laten buigen en gebouwen te laten binnen- en uittreden.
In 1966 kwamen twee Britse ingenieurs van het Standard Telecommunications Laboratorium, K. C. Kao en G. A. Hockham, met een suggestie voor een betere oplossing van het probleem. Al jaren was bekend dat licht door haarfijne buigzame glasvezels „geleid” kon worden, zoals een elektrische stroom door een koperdraad geleid wordt. In die tijd was echter het glas waarvan de vezels werden gemaakt, van slechte kwaliteit. Het licht werd er zo sterk door verstrooid en geabsorbeerd, dat het al de helft zwakker was geworden wanneer het zich nog slechts 3 meter langs de vezel had verplaatst. Kao en Hockham opperden dat als er een enorme verbetering in de kwaliteit van het glas bereikt kon worden, er dan glasvezels gebruikt zouden kunnen worden om licht vele kilometers te transporteren.
Op grond van deze gedachte kwamen de methoden om glasvezel te maken, sterk in de belangstelling te staan. Naast elkaar gingen Corning Glass Works en Bell Laboratories in de VS, de Nippon Sheet Glass Company in Japan en verschillende researchgroepen in Engeland aan het werk. De eerste doorbraak kwam in 1970 toen Corning bekendmaakte een nieuwe vezel te hebben vervaardigd van bijna zuivere siliciumdioxideglassen, waarin dan ook slechts heel geringe verliezen optraden. Spoedig maakten de andere researchgroepen verdere vorderingen, terwijl ze nog andere soorten glasvezels ontwikkelden. Tegenwoordig worden als een routinezaak glasvezels geproduceerd die licht over de afstand van een mijl (1,6 kilometer) kunnen geleiden voordat het tot de helft verzwakt is; sommige van de beste vezels die tegenwoordig worden geproduceerd, verliezen over die afstand slechts ongeveer een derde van het licht!
Men vervaardigt vezels door ze te trekken uit glas dat door een oven is geleid. Door de vezels tijdens dit proces op een trommel te winden, kan men vezels verkrijgen die een lengte van verschillende kilometers hebben. In de praktijk wordt op de vezel een beschermende plasticlaag aangebracht en worden 100 of wel meer afzonderlijke vezels bij elkaar gebundeld met geschikte ter versterking bedoelde elementen en een buitenbekleding ten einde een „glasvezelkabel” te vormen. Dergelijke kabels vormen nu de centrale component van optische communicatiesystemen, waarbij iedere vezel in de kabel een apart onderscheiden kanaal vormt.
Hoe geleidt een glasvezel licht? Het antwoord is gelegen in een natuurkundig beginsel dat bekendstaat als „totale inwendige reflectie”. Laat een lichtbundel onder een grote hoek vallen op een grensvlak tussen twee soorten glas, waarbij het glas beneden het grensvlak (optisch) dichter is. Een deel van het licht wordt dan doorgelaten en een deel wordt gereflecteerd, teruggekaatst. (Zie het diagram.) Als de hoek waaronder het licht invalt, echter voldoende klein wordt gemaakt, wordt al het licht gereflecteerd alsof het grensvlak een spiegel was. Deze situatie wordt „totale inwendige reflectie” genoemd. De vezel heeft een kern van dichter glas en een mantel van het andere glas. Onder voldoende kleine hoek worden dan lichtstralen binnen het kernglas voortgeleid, waarbij het licht heen en terug langs de vezel wordt verdergekaatst.
Nieuwe lasers
Terwijl de afgelopen tien jaar research werd verricht op het gebied van glasvezels, werd parallel daarmee ook hard gewerkt aan de ontwikkeling en verbetering van de andere componenten van het systeem. De eerste lasers waren omvangrijk en ondoelmatig. Er bestond een noodzaak om nieuwe lasers met een hoge levensduur te maken die zouden passen bij de vezels. Bovendien was het nodig efficiënte methoden uit te denken om het licht te coderen aan de hand van de elektrische signalen bij de zender en te decoderen bij de ontvangers.
Tegenwoordig hebben heel kleine lasers die kleiner zijn dan een speldeknop, en gemaakt zijn van legeringen van de elementen aluminium, gallium en arsenicum, een levensduur van meer dan een jaar. Ze produceren een lichtbundel wanneer een elektrische stroom wordt „geïnjecteerd” en worden daarom „injectielasers” genoemd. Licht emitterende (uitstralende) diodes (LED’s), die gewoonlijk in elektronische rekenmachientjes worden gebruikt, kunnen op nog eenvoudiger wijze uit dezelfde elementen worden vervaardigd. Hoewel hun licht niet coherent is, zijn ze altijd nog van groot belang voor optische systemen van lagere capaciteit.
In dergelijke lasers en LED’s kan de lichtbundel vele miljoenen malen per seconde elektrisch aan- en uitgeschakeld worden! Zo worden dus, als een uitzonderlijk snelle morsecode, telefoon- of televisiesignalen in de vorm van een gecodeerde opeenvolging van lichtflitsen of „pulsen” langs de glasvezel gestuurd. Aan de kant van de ontvanger zetten speciale van silicium gemaakte detectoren de snelle stroom van lichtpulsen weer om in elektrische signalen.
Proefsystemen
Tot hoever de research nu is gevorderd, blijkt wel uit het feit dat er reeds verscheidene experimentele telecommunicatiesystemen in gebruik zijn en dat meer gevorderde systemen op het moment in vele landen worden getest — met Engeland, de VS, Duitsland, Frankrijk en Japan aan de kop in deze ontwikkeling.
Sinds maart 1976 worden bijvoorbeeld televisiesignalen voor zo’n 34.000 kijkers rondom Hastings in Engeland overgebracht via een 1,4 kilometer lange glasvezelkabel. De elektrische signalen worden gedragen door licht dat wordt geproduceerd door een LED, een licht emitterende diode.
Bell Laboratories hebben uitvoerige tests verricht aan een prototype op hun researchcomplex in Atlanta in de VS. Het systeem gebruikte een injectielaser en twee 0,6 kilometer lange glasvezelkabels die elk 144 afzonderlijke glasvezels bevatten. Wanneer langs iedere vezel licht werd gezonden, had de kabel de mogelijkheid om tegelijkertijd meer dan 40.000 stemmen over te brengen! De kabels werden in ondergrondse kanalen gelegd om een stadstelefoonsysteem na te bootsen. Het installeren leverde geen gebroken vezels op.
In Duitsland heeft de Telecommunicatie Groep in München een experimentele glasvezelkabel geïnstalleerd om telefoon- en televisiesignalen over te brengen. Sinds augustus 1976 is het systeem zonder enige storing 12 uur per dag met succes in bedrijf geweest.
Andere vroege toepassingen van soortgelijke systemen heeft men gebruikt in schepen, vliegtuigen en verbindingen tussen computers. Naarmate men steeds meer verfijningen weet aan te brengen in de nieuwe technologie en in de technische bekwaamheden die nodig zijn voor het koppelen van glasvezels en kabels, is de verwachting dat ze vele metalen kabels op het terrein van de communicatie zullen vervangen.
Welke voordelen verkrijgt men door glasvezels en licht te gebruiken? Welke uitwerking zal dit alles bovendien op ons dagelijks leven hebben?
Voordelen en toekomstige ontwikkeling
Het gebruik van glasvezels voor communicatie biedt verscheidene voordelen boven de conventionele koperdraden. De vezels bevatten geen metaal en zijn dus vrij van elektrische storing. Vezels en glasvezelkabels hebben een relatief kleine diameter — een factor die heel wat betekent in stedelijke telefoonnetwerken waar de ondergrondse kabelkanalen vaak volkomen vol liggen. Ze zijn lichter dan koperdraden — een groot winstpunt voor vliegtuigen en satellieten waar het gewicht beperkt moet blijven. En als laatste, maar wel belangrijkste punt, vezels zijn goedkoop te vervaardigen.
In eerste instantie ziet men glasvezelkabels als een middel om de groei van reeds bestaande communicatienetwerken op te vangen. Voor de gemiddelde gebruiker kan dit betekenen dat de kosten langzamer zullen stijgen en het telefoneren misschien gemakkelijker wordt.
Op lange termijn echter zijn de voordelen veel opwindender. Ze berusten op dit enorme, nog niet volledig benutte vermogen van coherent licht om een gigantische hoeveelheid informatie te dragen. Ten einde dit vermogen aan de mens dienstbaar te maken is sinds 1969 een heel nieuw terrein ontstaan, in het Engels „integrated optics” genoemd. Hier heeft men lasers volledig weten te miniaturiseren en met heel kleine lichtgeleidende circuits kunnen optische componenten met elkaar verbonden worden.
Nieuwe en fascinerende ideeën op het gebied van communicatie worden in overweging genomen. Particuliere woningen zowel als kantoren zouden dan met een aansluiting via glasvezelkabel in plaats van telefoonkabel rechtstreeks visueel toegang hebben tot nieuwe gecentraliseerde diensten als gecomputeriseerde bibliotheken, onderwijscentra, banken, medische centra, warenhuizen, enzovoort. Wanneer iemand dergelijke faciliteiten tot zijn beschikking heeft, kan hij vanuit zijn eigen huis de gecomputeriseerde bibliotheek bellen, het boek van zijn keus opgeven en het dan op zijn televisiescherm lezen. Hij zou ook zijn bank kunnen bellen om een dagafschrift van zijn rekening op zijn scherm te krijgen. Een huisvrouw zou, ook als zij aan huis gebonden zou zijn, gebruik kunnen maken van een schrijfmachine-achtig toetsenbord om haar boodschappenlijstje op het televisiescherm over te brengen en dan de bestelling kunnen doorgeven aan een supermarkt door eenvoudig op een knop te drukken. Videotelefoons zouden het u mogelijk maken de persoon met wie u via de telefoon spreekt, ook te zien!
Het is dan ook duidelijk dat het krachtige vermogen van licht om communicatie te dragen, vele nieuwe mogelijkheden voor de toekomst opent. Naarmate optische systemen uit de experimentele sfeer komen en in bedrijf genomen gaan worden, kunnen daar vele voordelen uit voortvloeien. Wanneer wij over dit alles nadenken, valt het ons niet moeilijk waardering te voelen voor de schitterende en ingewikkelde aard van het licht zelf. Waarlijk, ’s mensen inventiviteit en innerlijke drang naar kennis vinden genoegzaam voedsel in de eindeloze schatten van de schepping. — Ps. 145:16.
[Diagram op blz. 22]
(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)
HET PRINCIPE VAN TOTALE INWENDIGE REFLECTIE
GLAS
deels doorgelaten
DICHTER GLAS
lichtbundel onder grote hoek
deels teruggekaatst
GLAS
DICHTER GLAS
lichtbundel onder kleine hoek
alle licht teruggekaatst
HOE EEN GLASVEZEL LICHT GELEIDT
lichtstralen onder kleine hoeken zigzaggen door de kern
mantelglas
dichter kernglas