Alexander Graham Bell
experimenteerde, een paar jaar nadat hij in 1876 een
praktisch bruikbare telefoon had geconstrueerd, met licht.
In zijn 'lichtzender' werd een klein beweegbaar spiegeltje
door geluid in beweging gebracht. Het zonlicht dat op het
spiegeltje viel, werd hierdoor ook in beweging gebracht,
gemoduleerd. De informatie die dit licht bevatte, werd in
een 'lichtontvanger' omgezet in stroomveranderingen. Voor
deze omzetting maakte Bell gebruik van selenium, een metaal
waarvan de eigenschappen onder invloed van licht veranderen.
Met een telefoon werden deze stroomveranderingen weer
hoorbaar gemaakt. Bell noemde zijn uitvinding de photophone.
Hij was door dit resultaat zo onder de indruk, dat hij
besloot een belangrijk deel van zijn toekomstige onderzoek
aan de verdere ontwikkeling van de photophone te wijden. De
photophone had een beperkt bereik, de maximaal te
overbruggen afstand was circa 14 kilometer. Toch waren er
ondanks de snelle opkomst van de radiotelefonie in de jaren
'20, tot de Tweede Wereldoorlog reeds praktische
uitvoeringen van Bell's lichtzender in gebruik.
Glas
en glasvezels
Glas lijkt op het eerste gezicht
ideale eigenschappen te bezitten voor het transporteren van
licht. Toch is het gewone glas lang niet zo doorzichtig als
op het eerste gezicht lijkt. Vensterglas bijvoorbeeld zit
vol met microscopisch kleine verontreinigingen, die een
gedeelte van het licht absorberen. Als we licht door een
staaf vensterglas met een lengte van één meter
turen, blijft er aan de andere kant niet meer dan
0.000.000.01 % over, vrijwel niets dus! Aan de Technische
Universiteit in Delft experimenteerde professor A. van Heel
in de jaren '50 met het overbrengen van beelden door
glasvezels, zeer dunne draden van zeer zuiver glas. De
eerste glasvezels lieten over een afstand van
één meter al 48 % van het licht door. Voor
telecommunicatie toepassingen was dat echter nog veel te
weinig. Pas in 1966 lukte het om een zo zuivere glasvezel te
maken, dat praktische toepassing wel mogelijk werd. Het glas
van moderne glasvezelkabels is nu zo zuiver, dat wanneer we
er een staaf van zouden kunnen maken met een lengte van
één kilometer, er nauwelijks lichtverlies meer
optreedt.
Lasers
en Led's
Zonder een gelijktijdige
ontwikkeling in de electronica, en met name de ontwikkeling
van twee lichtbronnen, de laser en de led, zou het gebruik
van de glasvezel nooit zo'n hoge vlucht hebben genomen.
Beide lichtbronnen zijn in staat om nauwkeurig licht van
één enkelegolflengte, of kleur, te produceren.
Lasers en led's verschillen vooral in lichtopbrengst en in
levensduur. Een laser is een zeer krachtige lichtbron met
een relatief korte levensduur, terwijl de lichtopbrengst van
een led veel minder is maar de levensduur langer. De laatste
jaren verandert dat echter. In CD-spelers worden
bijvoorbeeld halfgeleider-lasers met een zeer lange
levensduur gebruikt, terwijl er nu ook super-led's op de
markt zijn met een zeer hoge lichtopbrengst.
Glasvezelkabels
De glasvezels die nu voor
telecommunicatie worden gebruikt bestaan uit een kern, een
mantel en een beschermende omhulling. Deze drie delen samen
vormen een glazen draad die zonder de noodzakelijke
beschermlaag een dikte heeft van slechts 0.125 mm, de dikte
van een mensenhaar. Licht dat aan het ene uiteinde van de
glasvezel erin wordt gestuurd zal in de kern blijven. Zo dun
zijn de glasvezels, dat in laboratoria aparte maatregelen
moeten worden genomen om te voorkomen dat ze gaan 'zwerven'
en onbedoeld in iemands lichaam terecht komen. Daar kunnen
ze schade aanrichten en moeilijk worden opgespoord, de vezel
is op een röntgenfoto onzichtbaar! Momenteel is men aan
het experimenteren met gekleurd glas, omdat Inraroodlicht
wellicht nauwelijk vertraging ondervindt door toevoeging van
rode kleurstof, als die kleurstof maar optisch zuiver
is.
Pulsomzetting
Door koperdraden kan onze stem in
de vorm van stroomveranderingen worden getransporteerd. Met
licht kan dat niet, onze analoge stem moet eerst worden
omgezet in een digitaal signaal. Pas dan is transport over
een glasvezel mogelijk. Voor dit omzetten wordt Puls Code
Modulatie (= stroomstoot code omzetting) gebruikt. Dezelfde
techniek die in de platenindustrie ook wordt toegepast om de
analoge muziek van oude platen op een digitale CD te
krijgen. Voor het overbrengen van de informatie per
glasvezel wordt gebruik gemaakt van infrarood licht. Dit
onzichtbare licht, de draaggolf, wordt met een zeer hoge
snelheid door de glasvezel gestuurd. Hoe hoger de frequentie
van de draaggolf, hoe hoger de transportcapaciteit. Nu
kunnen gelijktijdig tot 7680 telefoongesprekken over een
enkele vezel worden verstuurd. Het gedigitaliseerde
telefoongesprek wordt als het ware geïnjecteerd op de
draaggolf en rijdt daarop als een ruiter mee.
Versterken
Hoe groter de verliezen in een
'telecommunicatiekabel', des te vaker moet het signaal
tussentijds worden versterkt. Op regelmatige afstanden
worden daarom in kabels versterkers geplaatst. Bij de
coaxiaalkabel, tot voor kort de concurrent van de glasvezel,
bedraagt de afstand tussen de versterkers ongeveer vier en
eenhalve kilometer. De afstand tussen de versterkers bij een
vergelijkbare glasvezelkabel, die repeaters worden genoemd,
is vijfentwintig kilometer. De glasvezel is nog steeds in
een ontwikkelingsfase. Proeven met andere vezelachtige
stoffen, zoals wasvezels, hebben aangetoond, dat het verlies
per kilometer nog veel kleiner kan worden. Toch is het
onwaarschijnlijk dat de afstand tussen twee repeaters bij
grondkabels nog veel groter zal worden. Lassen in de kabels,
op dit ogenblik zijn dat er gemiddeld 1,4 per kilometer,
veroorzaken extra demping. Bovendien is het vinden van
fouten bij een kleine afstand tussen de versterkers veel
eenvoudiger. Bij zeekabels ligt dat anders, in de 150
kilometer lange glasvezelkabel tussen Domburg en het Engelse
Aldeburgh zijn al geen versterkers meer opgenomen!
Waarom
glasvezels?
Als argument voor het gebruik van
glasvezelskabel wordt vaak het grote aantal gesprekken
genoemd, dat over een enkele vezel kan worden gestuurd.
Daarnaast worden ook de voordelen van glasvezels bij
transport van gedigitaliseerde informatie breed uitgemeten.
Met conventionele koperkabels zijn op dit moment gelijke
hoeveelheden gesprekken mogelijk en zijn digitale signalen
de gewoonste zaak van de wereld. De grote voordelen van het
gebruik van glasvezelkabel liggen echter ergens anders. In
de eerste plaats wordt het metaal koper, de grondstof voor
alle koperkabels, langzamerhand schaars. Glas bestaat vooral
uit silicium, dat als zand in vrijwel onuitputtelijke
hoeveelheden voorkomt. In de tweede plaats speelt geringer
gewicht van glasvezelkabels, een half procent van dat van
een vergelijkbare coaxiaalkabel, een grote rol.
Glasvezelkabels zijn daardoor makkelijker te leggen dan
vergelijkbare koperkabels. In de derde plaats zijn signalen
door glasvezelkabels veel minder gevoelig voor storingen van
buitenaf. In de hoogspanningstechniek, waar men te maken
heeft met zeer sterke elektrische en magnetische
velden,wordt de glasvezel al heel lang voor
besturingstoepassingen toegepast. In 1990 werd een speciale
glasvezelkabel gelegd van Zwolle naar Almelo. Deze kabel is
opgehangen aan de hoogspanningsmasten van het Energiebedrijf
IJsselmij. Dit was met een conventionele kabel onmogelijk
geweest. In de vierde en laatste plaats zijn glasvezelkabels
veel veiliger dan koperkabels, doordat bij breuk geen
vonkvorming kan optreden. Vooral in de grote steden, waar
telecommunicatie- kabels vaak dicht bij gas- of
olieleidingen liggen, is dit een belangrijk voordeel.
Glasvezelkabels zijn niet dik. Daardoor is het mogelijk
gebleken ze door bestaande water- en gasleidingen aan te
leggen. Dat scheelt een stuk werk, omdat nu de grond niet
overal hoeft te worden open gelegd.
