Optische vertragingslijn: licht op commando laten wachten
Stel je voor dat je in een lege kerk in je handen klapt. Je hoort niet alleen het geluid rechtstreeks, maar even later ook een echo: het geluid heeft eerst tegen de muren gekaatst en dus een langere weg afgelegd voordat het je oor bereikt. Een optische vertragingslijn doet iets vergelijkbaars met licht, maar dan expres en heel precies gestuurd. Het is een stukje techniek dat een lichtsignaal een tijdje laat 'omlopen' of over een omweg stuurt, zodat het net iets later ergens aankomt dan wanneer het rechtstreeks zou reizen.
Waarom zou je licht willen vertragen? Licht is het snelste wat er is, en juist daarom lastig te temmen: in de tijd dat je met je ogen knippert, heeft licht al honderden kilometers afgelegd. In computers, telecomnetwerken en meetapparatuur wil je soms twee lichtsignalen op exact hetzelfde moment laten samenkomen, of een signaal een paar nanoseconden (miljardsten van een seconde) laten wachten terwijl er ergens anders een beslissing wordt genomen. Een optische vertragingslijn is het gereedschap waarmee ingenieurs dat voor elkaar krijgen, zonder het licht eerst om te zetten in elektrische stroom en daarna weer terug.
Wat is het precies?
Het basisprincipe is simpel: hoe langer de weg die licht moet afleggen, hoe later het aankomt. Licht reist in vacuüm met zo'n 300.000 kilometer per seconde, maar in glasvezel gaat het door de zogeheten brekingsindex van glas (een maat voor hoeveel een materiaal licht afremt en buigt) zo'n derde langzamer: ongeveer 200.000 kilometer per seconde. Dat betekent dat elke extra meter glasvezel het signaal ongeveer vijf nanoseconden vertraagt. Een opgerolde spoel vezel van 200 meter geeft dus al een vertraging van ongeveer een microseconde ten opzichte van een rechtstreekse verbinding.
Om die vertraging instelbaar te maken, bouwen ingenieurs vaak een schakelbare vertragingslijn: een reeks vezelstukken van verschillende lengte, gekoppeld via optische schakelaars. Zo'n schakelaar is te vergelijken met een wissel op een spoorbaan, maar dan voor licht: op commando stuurt hij het lichtsignaal via het korte of het lange pad. Door stukken van bijvoorbeeld 1, 2, 4 en 8 lengte-eenheden te combineren, kun je digitaal talloze verschillende totale vertragingen samenstellen, net zoals je met een paar losse gewichtjes veel verschillende totaalgewichten kunt maken.
Een andere aanpak is 'slow light' of langzaam licht. Bepaalde nanostructuren, zoals fotonische kristallen (materialen met een regelmatig, op nanoschaal herhaald patroon dat de voortplanting van licht van een bepaalde kleur sterk beïnvloedt), kunnen de zogeheten groepssnelheid van licht drastisch verlagen. Dat is niet de absolute maximumsnelheid van licht zelf, maar de snelheid waarmee informatie of een lichtpuls zich voortplant. In laboratoriumproeven is licht op deze manier tot honderden of zelfs duizenden keren vertraagd, waardoor je een bruikbare vertraging op een veel kleiner oppervlak kunt realiseren. Dat is belangrijk voor fotonische chips: chips die, in plaats van elektronen door draadjes, licht door piepkleine golfgeleiders sturen.
Daarnaast bestaat de mechanische variant: een spiegel op een nauwkeurig verstelbare rail. Het licht kaatst tegen de spiegel terug, en door de spiegel verder weg te schuiven wordt het pad langer en dus de vertraging groter. Deze aanpak is minder compact, maar wel heel precies instelbaar en wordt vooral in meetopstellingen gebruikt.
Wat wil men ermee bereiken?
Een belangrijke drijfveer komt uit de fotonische quantumtechnologie. Daar werkt men met losse lichtdeeltjes, fotonen genoemd, die als dragers van quantuminformatie dienen. Voor veel quantumberekeningen en -communicatieprotocollen moeten twee fotonen op exact hetzelfde moment op een component genaamd een beamsplitter (een soort halfdoorlatende spiegel) samenkomen om quantuminterferentie te laten optreden, het verschijnsel waarop deze technologie leunt. Omdat fotonen op onvoorspelbare momenten worden gemaakt, is een instelbare vertragingslijn onmisbaar om ze alsnog gelijk te laten aankomen.
Een tweede doel ligt in telecomnetwerken. Data reist tegenwoordig grotendeels als licht door glasvezel, maar op knooppunten moet vaak een routeringsbeslissing worden genomen, wat tijd kost. Normaal gesproken zet men het signaal daarvoor om naar elektronica, verwerkt het, en zet het weer om naar licht: dat kost tijd en energie. Met een optische vertragingslijn kan een datapakketje simpelweg een paar honderd nanoseconden 'in de wacht' staan als licht, zodat het net zo lang blijft rondgaan tot de routeringsbeslissing klaar is, zonder omweg via elektronica.
Een derde toepassing zit in radar en lidar met phased array-antennes: rijen van kleine antennes die samen een bundel vormen en die bundel elektronisch kunnen sturen door elk antenne-element een net iets andere tijdsvertraging te geven. De klassieke manier gebruikt fasesverschuivers, maar die werken niet goed over een breed frequentiebereik, wat leidt tot een vervormingseffect dat 'beam squint' heet. Een echte tijdvertraging (true-time delay) met optische vertragingslijnen voorkomt dat probleem, omdat het signaal letterlijk in tijd wordt verschoven in plaats van in fase.
Tot slot spelen vertragingslijnen een rol in precisiemeting, bijvoorbeeld in optical coherence tomography (OCT), een beeldvormingstechniek die met licht dwarsdoorsneden van weefsel maakt, zoals in het oog. Door de vertraging in een referentiepad snel en nauwkeurig te variëren, kan het apparaat op verschillende dieptes in het weefsel scannen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Canadese bedrijf Xanadu bouwde de fotonische quantumcomputer Borealis, waarmee het in 2022 in het tijdschrift Nature een demonstratie publiceerde van zogeheten quantum computational advantage: een taak die met een klassieke computer onwerkbaar lang zou duren. Het systeem gebruikt vezellussen van verschillende lengte als vertragingslijnen om fotonen na elkaar het systeem in te sturen en ze vervolgens via tijdmultiplexing (het na elkaar, in plaats van naast elkaar, verwerken van signalen die dezelfde hardware delen) met elkaar te laten interfereren.
In de medische beeldvorming ontwikkelden onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology, onder wie James Fujimoto, eind jaren negentig een 'rapid scanning optical delay line': een systeem dat honderden tot duizenden keren per seconde de vertraging kan veranderen. Dit maakte veel snellere OCT-scans mogelijk, een techniek die inmiddels standaard wordt gebruikt bij oogonderzoek.
Rond het midden van de jaren 2000 onderzochten groepen aan onder meer Cornell University en het Japanse telecombedrijf NTT hoe 'slow light' in fotonische kristallen en glasvezels kon worden ingezet als optische buffer, om datapakketjes tijdelijk als licht vast te houden zonder ze eerst elektronisch te verwerken. Dit onderzoek liet zien dat het principe werkt, maar ook dat de haalbare vertraging en de optische verliezen nog een flinke uitdaging vormen.
Ook telecomleveranciers als Corning maken al decennialang gekalibreerde vezelspoelen die simpelweg als precieze, vaste vertragingslijnen dienen, bijvoorbeeld om apparatuur te testen of signalen in laboratoria te synchroniseren.
Hoe ver is de techniek?
Eenvoudige, vaste of grofweg instelbare optische vertragingslijnen op basis van vezelspoelen of schakelbare paden zijn allang volwassen techniek en worden kant-en-klaar verkocht voor laboratoria en telecomapparatuur. De grotere uitdagingen zitten in de compactere, geïntegreerde varianten op een chip.
Bij fotonische quantumcomputers, zoals die van Xanadu, is fotonverlies het belangrijkste obstakel: elke keer dat een foton door een vezellus circuleert, is er kans dat het verloren gaat, en langere of vaker herhaalde vertragingen vergroten dat risico. Dit begrenst voorlopig hoe groot en complex zulke systemen kunnen worden.
Bij optische buffering voor telecomnetwerken is het praktisch gebruik nooit echt doorgebroken: de haalbare vertragingstijden met 'slow light'-materialen bleven beperkt en de verliezen te hoog om te concurreren met de simpelweg zeer snelle elektronische verwerking die intussen beschikbaar kwam. Optische vertragingslijnen worden hier dus vooral in onderzoekscontext gebruikt, niet in operationele netwerken.
True-time-delay-systemen voor radar en lidar met geïntegreerde fotonica maken wel gestage vooruitgang, gedreven door de vraag naar bredere bandbreedtes in 5G/6G-communicatie en geavanceerde sensortechniek, maar grootschalige, betaalbare productie op chipniveau is nog volop in ontwikkeling.
Wie werken eraan?
Op het gebied van fotonische quantumtechnologie zijn Xanadu (Canada) en PsiQuantum (Verenigde Staten) prominente bedrijven die optische vertragingslijnen als kernonderdeel van hun architectuur gebruiken. In Nederland doet QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, onderzoek naar fotonische quantumnetwerken waarbij het nauwkeurig op elkaar afstemmen en tijdelijk vasthouden van fotonen een belangrijke rol speelt.
Op het gebied van geïntegreerde fotonica en chipproductie is het Belgische onderzoeksinstituut imec een belangrijke speler, samen met universitaire onderzoeksgroepen zoals die aan Cornell University en het Massachusetts Institute of Technology in de Verenigde Staten en de Optoelectronics Research Centre van de universiteit van Southampton in het Verenigd Koninkrijk. In Japan verricht NTT al lange tijd fundamenteel onderzoek naar langzaam licht en fotonische kristallen. Componentenfabrikanten als Corning en Lumentum leveren de vezels, spoelen en schakelaars die in praktijktoepassingen worden gebruikt.