Spreken en zien via glas
LICHT — dat oude, mysterieuze symbool van wijsheid en overdracht van informatie — is nu niet langer slechts een symbool. In recente jaren heeft het snel en geruisloos zijn rechtmatige rol aanvaard en is het daadwerkelijk de drager geworden van allerlei soorten informatie. Voordat alle mogelijkheden van licht als drager van informatie over heel lange afstanden werkelijk ten volle benut konden worden, waren er twee ontwikkelingen nodig: (1) een speciaal soort licht en (2) een speciale lichtgeleider.
Sinds kort is het door een serie opwindende nieuwe ontwikkelingen mogelijk geworden om ongelofelijk grote hoeveelheden informatie van allerlei aard over grote afstanden en met ontzaglijke snelheden te verzenden door middel van lichtbundels. Ja, het is nu mogelijk om met opmerkelijke snelheid en doeltreffendheid te spreken, zien en horen door middel van minuscule lichtbundels die door uiterst dunne glasvezels reizen. Als ragfijne herfstdraden lopen deze in beschermende kabels aangebrachte glasdraden reeds tussen steden in de Verenigde Staten, Europa en Japan. Momenteel is men bezig in de oceanen intercontinentale verbindingen aan te leggen.
Hoe is dit mogelijk, daar wij allen weten dat licht zich gewoonlijk in een rechte lijn voortplant? Wat maakt het mogelijk dat de kleine lichtbundels in de glasvezels blijven wanneer deze een bocht maken? Hoe kunnen deze stralen zo ver reiken en zo veel informatie dragen? Een speciaal soort licht maakt dit alles mogelijk — coherent licht.
Efficiënt coherent licht
Het voordeel van een bundel coherent licht boven een bundel gewoon licht voor informatieoverdracht kan worden geïllustreerd door de fotonen licht die zich door een glasvezel bewegen, te vergelijken met mannen die een weg aflopen. Stellen wij ons een gewone lichtbundel voor als een voortlopende menigte mannen van verschillende lengte en postuur, uit de pas en elkaar regelmatig voor de voeten lopend. Een bundel coherent licht zou dan vergeleken kunnen worden met soldaten die allen even lang zijn en in keurige gelederen en precies in de pas voortmarcheren. Door in de pas te lopen zonder elkaar te hinderen, kan een groter aantal mannen zich over een langere afstand, efficiënter en met minder energieverlies verplaatsen. Zo is het ook met coherent licht.
Op dit punt zullen sommigen misschien zeggen: ’Waarom heeft het zo lang geduurd eer men licht op deze wijze ging gebruiken? Waarom heeft niemand daar eerder aan gedacht?’ In werkelijkheid is het echter niet zo’n nieuw idee. Op zijn minst één persoon, Alexander Graham Bell, zag de voordelen in van het spreken door middel van licht en publiceerde in 1880 een verhandeling getiteld: „Selenium en de fotofoons.”
Dit idee getuigde van een zeer vooruitziende blik, maar zonder coherent licht zou zijn uitvinding slechts beperkt succes kunnen hebben. Pas in de jaren ’60 werd echter met de ontwikkeling van de LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, versterking van licht met behulp van gestimuleerde emissie van straling) aan dat eerste vereiste voldaan. Bovendien ontbrak het Bell ook aan het tweede belangrijke vereiste, een zeer doeltreffende lichtgeleider om de informatie over te brengen.
Die ingenieuze lichtgeleiders — Hoe werken ze?
Terwijl men bleef werken aan de ontwikkeling van lasers, waren anderen bezig met het uitvinden en ontwikkelen van glasmateriaal van hoge helderheid en ingenieuze samenstelling dat het coherente laserlicht in staat zou stellen zeer lange afstanden te overbruggen. Deze materialen werden vervolgens uitgetrokken tot haarfijne vezels.
Velen van ons herinneren zich wellicht dat zij verlichte glasvezels hebben zien toepassen in opvallende artistieke tafeldecoraties. Hiervoor worden bundels fiberglas of soms plasticvezel uitgewaaierd als een bloemstuk en verlicht vanaf de bodemuiteinden. Het licht dat wordt gebruikt, is meestal gewoon licht. Hierdoor wordt in ieder geval geïllustreerd hoe men licht via glasvezels door bochten heen kan leiden in plaats dat het licht zich slechts rechtuit beweegt zoals gewoonlijk het geval is (Figuur 1). In deze decoratieve lampen legt het licht slechts heel korte afstanden af.
Om het licht over veel grotere afstanden te laten reizen dan in artistieke decoraties nodig is, zijn er speciale deklagen van glas en plastic ontworpen. Deze speciale mantels zorgen ervoor dat lichtstralen die zouden willen ontsnappen, teruggekaatst worden in het glas en voorkomen dus verder lichtverlies. Er zijn een aantal ingenieuze variaties in de samenstelling en constructie van deze mantels. Niettemin helpen deze vele variaties, allemaal op hun eigen wijze en onder specifieke omstandigheden, de afstand te vergroten waarover licht kan reizen (Figuur 2).
Hoewel deze glasdraden of -vezels ons vermogen om licht te transporteren en te geleiden enorm hebben verbeterd, is het nog altijd nodig het licht onder een kleine hoek de vezels in te brengen. Dat er aan een lichtdoorlatend grensvlak ook spiegeling optreedt, is ons niet vreemd. Als wij aan een meertje staan, zien wij de bomen langs de oever weerspiegeld in het gladde wateroppervlak. Er zijn echter ook situaties waarin men uitsluitend weerspiegeling krijgt en er helemaal geen licht het grensvlak passeert. Hiervoor is dan wel nodig dat de hoek waaronder het licht invalt, kleiner is dan een bepaalde waarde. Op overeenkomstige wijze zal ook alleen in zo’n geval licht binnen de glasvezel opgesloten blijven en daarin als door een spiegel steeds worden weerkaatst.
Naar men verwacht zullen deze stralen wel 40 kilometer of meer door deze minuscule draden kunnen reizen zonder dat het nodig is het licht te versterken. De toekomstvooruitzichten zijn zelfs nog aanmoedigender. Volgens een recent rapport zijn er vezels ontwikkeld met een ultralaag verlies „die gegevens over duizenden kilometers kunnen vervoeren zonder dat er tussenversterkers nodig zijn”.
Om deze wonderbaarlijke lichtgeleiders te beschermen, is het nodig lagen en omwikkelingen van beschermend materiaal aan te brengen. Bovendien worden er zeer krachtige versterkingsvezels en -draden alsook koperdraad bijgevoegd zodat er kleine kabels ontstaan (Figuur 3). Beschermd in kabels zorgen deze glasvezels voor zo’n enorm efficiënte informatieoverdracht dat elektrische stroompjes die via gewoon koperdraad worden verzonden, hier niet tegen kunnen concurreren. Dit is vooral zo op lange afstanden. Maar hoe worden gegevens, beelden en menselijke stemmen door deze speciale vorm van licht via deze kleine glasvezels verzonden?
Hoe de kleine vezels hun grote lading dragen
Hoewel de speciale vormen van licht en de ingenieuze glasvezels ons imponeren, is de manier waarop de stralen feitelijk hun enorme hoeveelheid informatie met zich meedragen eveneens indrukwekkend. Eén geheim dat daaraan ten grondslag ligt, is de geweldige snelheid van het licht, bij benadering 300.000 kilometer per seconde. Het andere is de extreem hoge frequentie van lichtgolven, die miljarden trillingen per seconde kan bedragen. Door deze hoge frequenties en door de lichtpulsen te coderen, kan er een kolossale hoeveelheid informatie samengeperst worden in de lichtbundeltjes die door de kleine glasvezels reizen. Laten wij eens één voorbeeld beschouwen, namelijk hoe men kan spreken en horen met licht.
Spreken en horen met licht
Aan het spreken, horen en zien door middel van licht komt nogal wat zeer ingewikkelde moderne technologie te pas. Laten wij echter slechts een paar van de stappen beschouwen die nodig zijn om te kunnen spreken en horen met licht om althans enig begrip te krijgen van het proces.
Hoewel licht als medium wordt gebruikt, begint de procedure in werkelijkheid net als voorheen, door in een telefoon te spreken. De geluidsgolven van onze stem worden nog steeds in de telefoon omgezet in corresponderende elektrische signalen. Dan worden er uit deze elektrische signalen op hoge snelheid „plakjes gesneden”. Dit proces vertoont veel overeenkomst met wat er gebeurt in een filmcamera, die van een beweging in feite een serie stilstaande beelden opneemt. Deze opnamen worden dan beeld na beeld in snelle opeenvolging geprojecteerd, waardoor de toeschouwer de indruk krijgt beweging te zien. Op overeenkomstige wijze worden deze ’uitgesneden’ elektrische signalen verwijderd en gecodeerd in een uit vele stappen bestaand proces en vervolgens omgezet in lichtpulsen. De gecodeerde lichtpulsen reizen dan door de glasvezel naar het ontvangstation. Wanneer ze op het ontvangstation aankomen, worden ze door een omgekeerd proces weer omgezet in geluidsgolven in het luidsprekergedeelte van de telefoonhoorn. Welke voordelen levert dat nu voor ons op? Welke vooruitzichten biedt de toekomst?
Enkele van de huidige voordelen
Net nu wij aan ons huidige communicatiesysteem gewend zijn geraakt en het naar waarde schatten, is er een heel nieuw systeem verschenen. Vezeloptiek lijkt de veeladerige telefoonkabels, de microgolfnetwerken en zelfs sommige satellietstations te gaan vervangen, en daarbij een hele reeks extra voordelen te bieden.
◼ Communicatie zonder stoornissen. Een van de belangrijkste voordelen voor de telefoongebruiker is dat glasvezeltransmissie vele soorten storingen waaraan wij gewend zijn geraakt, praktisch elimineert. Bliksem, hoogspanningskabels, generatoren — ze hebben alle voor ergernis gezorgd door statische elektriciteit en storende geluiden te veroorzaken. Zelfs zwaar afgeschermde koperen aders kunnen niet voorkomen dat enkele van deze stoornissen doordringen.
Als uw telefoongesprek gedeeltelijk per satelliet verliep, hebt u wellicht gemerkt dat de ontvangst een fractie van een seconde vertraging opliep of dat er atmosferische storingen merkbaar waren. In het verleden traden er misschien zelfs echo’s op. Bij de vezeloptiek treden merkbare vertragingen gewoonlijk niet op en heeft men een heldere, ongestoorde ontvangst.
◼ Beveiligde communicatie. Volkomen beveiliging is een van de bijzondere voordelen van vezeloptiek. Zo behoort overspraak tot het verleden en wordt illegaal afluisteren feitelijk onmogelijk. Er is tot dusver geen methode ontwikkeld om lichtstralen af te tappen, tenminste niet zonder het signaal erg te verzwakken, wat meteen een duidelijke waarschuwing vormt.
◼ Grote doelmatigheid. Wij kunnen de fantastische doelmatigheid van informatieoverdracht door licht begrijpen wanneer wij bedenken dat via slechts één aderpaar van glasvezel duizenden telefoongesprekken kunnen worden gevoerd. Men schat dat de gehele inhoud van Websters onverkorte woordenboek in zes seconden via één glasvezel over een afstand van duizenden kilometers kan worden verstuurd.
◼ Een minimum aan ruimte — bestand tegen een vijandige omgeving. Veel plaatsen ondervinden nu reeds de voordelen van deze nieuwe ontwikkeling. Grote stadsgebieden trekken voordeel van de nieuwe communicatielijnen met hoge capaciteit en de sterk verminderde hoeveelheid benodigde apparatuur. Hele ruimten gevuld met ouderwetse schakelkasten kunnen nu vervangen worden door apparatuur voor vezeloptiek die slechts weinig plaats inneemt. Bovendien kunnen afgelegen gebieden zoals de koraaleilandjes in Florida zich nu verheugen in ongestoorde verbindingen zonder gekraak. Het vijandige zeewatermilieu van de koraaleilandjes en soortgelijke gebieden zorgt vaak voor kortsluiting en chemische aantasting. Maar de glasvezeloptiek ondervindt daarvan vrijwel geen hinder.
Een blik in de toekomst
De nieuwe ontwikkeling schijnt een veelbelovende toekomst te hebben. Nu reeds schrijdt de omschakeling veel sneller voort dan sommigen hadden voorspeld. Naar verluidt is een van de grootste problemen een systeem te kiezen dat niet verouderd zal zijn tegen de tijd dat het is geïnstalleerd.
◼ Stem, video en computers via één terminal. Het tijdschrift High Technology bericht in zijn februarinummer van 1986 onder de titel „Zakelijke vooruitzichten” dat „vezeloptiek in de VS snel het medium is geworden dat de meeste voorkeur geniet voor het overbrengen van spraak, gegevens en videobeelden — vooral over lange afstanden”. Het artikel verklaart vervolgens: „Wij zijn ermee bezig een netwerk van glasvezelverbindingen op te zetten dat zich tot in de huiskamer zal uitstrekken. Daar zal één toestel geluid en videobeelden kunnen verwerken en . . . informatie kunnen opvragen bij een databank.” Dit opent voor ten minste enkele mensen de mogelijkheid om vanuit hun huis boodschappen te doen, bankzaken te regelen en vliegtickets te kopen en gebruik te maken van de mogelijkheden van een centrale bibliotheek. Het moet zelfs mogelijk worden dat zij hun vrienden zien terwijl zij via de telefoon met hen spreken — alles door middel van licht via die wonderbaarlijke glasvezels.
[Illustraties op blz. 20]
Licht dat zich door een glasvezel voortbeweegt, wordt intern weerspiegeld en gaat niet door de wand verloren
Krachtige versterkingsvezels en -draden geven bescherming
Een mantel van glas en plastic verhindert dat er licht ontsnapt
[Illustratie op blz. 22]
Deze kleine glasvezelkabel kan evenveel — of nog meer — telefoongesprekken verwerken als deze grote conventionele kabel