Internet met de lichtsnelheid
Bastienne Wentzel


Overschrijd de datalimiet van de internetprovider in vijf seconden. Download een complete film in een fractie van een tel. De glasvezelkabel is er snel genoeg voor. Nu de schakelpunten nog.  

De maximale datasnelheid van het glasvezelnetwerk, waarvan al achthonderd miljoen kilometers over de hele wereld liggen, is meer dan honderd terabit (miljoen megabit) per seconde. Waarom gaat surfen met adsl of kabelinternet dan nog met luttele megabits per seconde? 
Een belangrijke snelheidsbeperkende factor is de knooppunten. Data reist over het glasvezelnetwerk als pakketjes licht waarin informatie zit opgeslagen over onder andere zijn bestemming. Op een elektronisch knooppunt moeten de pakketjes licht eerst omgezet worden in elektronen. Alfred Driessen, hoogleraar Integrated Optical Micro Systems aan de Universiteit Twente, vergelijkt het proces met een stad met twee vliegvelden: “Kom je aan op de eerste, moet je met een taxi over de gewone, door file geteisterde wegen naar het andere. Dat kost veel tijd.”
Optische schakelingen lossen dit probleem in één klap op. De kern van het probleem is dat elektronen lading hebben en lichtgolven niet. “Het kost veel minder energie om lichtgolven te verplaatsen dan elektronen,” legt Harm Dorren, wetenschappelijk directeur van het onderzoeksinstituut Cobra in Eindhoven uit. Daardoor kan een schakeling met fotonen veel sneller zijn. Minstens even belangrijk is dat optische schakelingen de hoeveelheid energie omlaag kunnen brengen die nodig is om te schakelen, vindt Dorren. “De hoeveelheid vermogen die je nodig hebt om een knooppunt van glasvezelkabels elektronisch te schakelen is gigantisch,” zegt hij. “Google opent bijvoorbeeld een datacentrum in Groningen. Dat doen ze daar omdat ze vlak bij een energiecentrale zitten. Dat datacentrum gebruikt het equivalent van 80.000 huishoudens.
Meer dan schakelen
De naam schakelaar is overigens een beetje misleidend. Een optische schakeling kan niet alleen een signaal aan en uit zetten, maar ook bijvoorbeeld versterken en in de juiste richting sturen. Verder moet het schakelpunt in staat zijn om verschillende kleuren te filteren. Ten slotte moet een detector de data omzet ten naar een elektronisch signaal dat de computer of telefoon begrijpt.
Al deze functies zitten op één chip, in het geval van licht als datadrager een geïntegreerde optische schakelaar genoemd. Driessen onderzoekt silicium als materiaal voor optische chips. Dat is lastiger dan het meest gebruikte materiaal indiumfosfide omdat het niet makkelijk licht uitzendt, een eigenschap die wel nodig is voor een optische schakeling. “Silicium heeft het voordeel dat er al veel onderzoek naar gedaan is,” zegt de hoogleraar. “We dromen ervan dat we met dezelfde lithografische technieken waarmee elektronische chips worden gemaakt ook optische chips zullen maken.”
Sensor
Optische chips zijn niet alleen geschikt voor de communicatietechnologie. “Als je van een golfgeleider op een chip de beschermlaag afhaalt is hij heel gevoelig voor wat er in de buitenwereld gebeurt. Die buitenwereld kan een gas, een vloeistof of een biologisch systeem zijn. De verandering daarin kan je meten. Zo’n optische sensor is veel gevoeliger dan elektronische sensoren,” stelt Driessen. Ook voor het meten van stress in bijvoorbeeld bruggen of dijken kunnen optische sensoren worden toegepast. Een optische chip meet dan veranderingen in het licht dat door een stukje glasvezel in de struktuur wordt gestuurd.
Deze toepassingen van de optische technologie zullen nog wel vijf tot tien jaar op zich laten wachten, denkt Driessen. De technische problemen zijn enorm, zegt hij. “Fotonische chips moeten op tien nanometer nauwkeurig gestructureerd worden. Als dat niet heel goed gebeurt treden er verliezen op van het lichtsignaal. Per centimeter verliezen we vaak nog de helft aan signaal terwijl dat in de glasvezel zelf pas na vijftien kilometer gebeurt. Daar is nog veel fundamenteel onderzoek nodig.”
Ogen, neus en geheugen
Optische schakeltechnologie is nog niet voldoende ontwikkeld voor de markt, zegt ook Dorren. Dat komt doordat ze nog te duur zijn, maar er zijn ook nog funtamentele problemen. “We kunnen nu optisch schakelen en we weten hoe we geïntegreerde circuits moeten maken. Een probleem is nog het optisch bufferen van informatie,” legt Dorren uit. “Een schakelaar kan maar één datapakketje tegelijk verwerken. Komen er twee tegelijk – met de lichtsnelheid – op het schakelpunt aan, dan gaat er een verloren, of die moet even wachten. Een pakketje licht moet dus tijdelijk stilgezet worden, bewaard in een optisch geheugen. We weten nog niet hoe we dat moeten doen.”
Driessen denkt niet dat optische schakelingen de elektronische zullen vervangen. “We moeten de technologie gebruiken waar hij goed in is. De optica heeft ogen en een neus, maar geheugen is voor licht heel moeilijk. Daar kunnen we beter elektronica voor gebruiken.”
De kloof gedicht Schakelaars van organische moleculen kunnen veel sneller een elektronisch signaal omzetten in licht dan anorganische materialen. Dat weten onderzoekers al ruim twintig jaar. Maar in de praktijk blijken organische verbindingen veel last te hebben van degradatie. Daarom is de zogenaamde elektro-optische modulator nog steeds van anorganisch materiaal, vaak lithiumniobaat, gemaakt. Deze chip vertaalt het elektronische signaal van bijvoorbeeld een computer naar het optische signaal dat door de glasvezelkabel wordt getransporteerd. Onderzoekers uit de Verenigde Staten, België en China hebben onlangs een klasse organische verbindingen gemaakt die wél snel schakelen.
Zo’n acht jaar geleden zette de Amerikaan Mark Kuzyk eens op een rijtje hoe snel alle tot dan toe onderzochte organische verbindingen elektronen om kunnen zetten in licht. Het gaat dan om de hyperpolariseerbaarheid van de verbindingen. Die geeft aan hoe sterk de interactie van licht met materiaal is en is een directe maat voor de snelheid van dataoverdracht. Kuzyk berekende ook hoe groot de theoretische hyperpolariseerbaarheid van de verbindingen is. Hij ontdekte dat het verschil tussen experiment en theorie, dat de Kuzyk Gap is gaan heten, altijd een factor dertig bedraagt. Zelfs vandaag weet nog niemand waarom.
Schijnbare limiet
Lang is gedacht dat deze schijnbare limiet nooit doorbroken zou worden. “Men verloor daarom interesse in het vakgebied,” zegt Koen Clays, hoogleraar Nanomaterialen aan de Katholieke Universiteit Leuven. Maar op basis van berekeningen van Kuzyk synthetiseerden Chinese chemici onlangs een klasse verbindingen die de kloof moesten kunnen overbruggen. Clays - die tevens adjunct-professor in de onderzoeksgroep van Kuzyk aan de Washington State University - en collega’s maten vervolgens de hyperpolariseerbaarheid van de verbindingen en lieten zien dat Kuzyks voorspelling klopte. De verbindingen hadden een hogere hyperpolariseerbaarheid dan ooit gemeten.
Tussen de chromoforen (de groepen die een wisselwerking met licht hebben) van het molecuul van Clays zit een geconjugeerde brug waarover de elektronen kunnen reizen. Tot nu toe werd aangenomen dat de geconjugeerde brug zo regelmatig mogelijk moest zijn, bijvoorbeeld alleen maar thiofeengroepen. Kuzyks berekeningen wezen er echter op dat het beter is om het de elektronen wat moeilijker te maken. Je moet wat verkeersdrempels aanleggen, zegt hij.
Clays’ moleculen hebben een onregelmatige brugstructuur. Het winnende molecuul bestaat uit vier verschillende stukken: een benzeen-, azo-, thiofeen- en etheengroep. Langere bruggen lijken het beter te doen dan korte. Andere groepen zoals pyrrol en furaan zullen het ook goed doen, denkt Clays. “We zijn er nog lang niet,” zegt de hoogleraar. “De kloof is nu nog een factor twintig in plaats van dertig. Maar dát de Kuzyk Gap is verbroken is interessant.”
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad no. 13, 30 juni 2007.