Vezeltrekken: hoe glas wordt getransformeerd tot de draden achter internet
Vezeltrekken klinkt als iets voor een weverij, maar het is een van de meest precieze industriële processen ter wereld. Het is de manier waarop een staaf glas, zo dik als een arm, wordt omgevormd tot een draad die dunner is dan een mensenhaar en waar licht doorheen kan reizen. Die draden vormen samen het zenuwstelsel van het internet: glasvezelkabels die data met bijna de snelheid van het licht de wereld rond sturen.
Stel je een stroopwafel voor die je langzaam uitrekt boven een warme kachel: hij wordt dunner en langer, maar het patroon erin blijft in verhouding hetzelfde. Zoiets gebeurt bij vezeltrekken, alleen dan met glas dat wordt verhit tot boven de 2000 graden Celsius en vervolgens met grote precisie naar beneden wordt getrokken tot een draad van ongeveer 125 micrometer dik, ruwweg de dikte van een haar. Het bijzondere is dat de structuur van het uitgangsmateriaal, de zogeheten preform, in exact dezelfde verhoudingen verkleint, zodat de optische eigenschappen behouden blijven.
Wat is het precies?
Het proces begint met een preform: een massieve staaf van ultrazuiver kwartsglas, meestal zo'n twintig centimeter dik en een meter of langer. Deze preform is in feite een schaalmodel van de uiteindelijke vezel, met een kern van glas met een net iets andere samenstelling dan de mantel eromheen. Dat verschil in samenstelling zorgt ervoor dat licht in de kern blijft en niet weglekt, een principe dat totale interne reflectie heet.
Deze preform wordt in een trektoren geplaatst, een installatie die soms wel twintig meter hoog is. Bovenin wordt de punt van de preform verhit in een oven tot het glas net vloeibaar genoeg wordt om te kunnen vloeien, zonder dat de structuur verstoord raakt. Onderaan de oven druppelt als het ware een dunne glasdraad naar beneden, die met rollen wordt vastgepakt en met een constante snelheid naar beneden wordt getrokken.
Tijdens die val, die vaak meerdere seconden duurt in een hoge toren, koelt de vezel af. Vlak daarna wordt er een beschermende coating van kunststof (meestal een UV-uithardende acrylaatlaag) omheen aangebracht, zodat de kwetsbare glasdraad niet breekt of beschadigt door stof of vocht. Sensoren meten voortdurend de diameter van de vezel, tot op de micrometer nauwkeurig, en sturen de treksnelheid automatisch bij. Aan het einde van de lijn wordt de vezel opgerold op grote spoelen, vaak tientallen kilometers per spoel.
Moderne trektorens kunnen de vezel met snelheden tot wel twintig tot dertig meter per seconde produceren, wat betekent dat er binnen een paar uur honderden kilometers vezel van één preform kunnen worden getrokken.
Wat wil men ermee bereiken?
De directe drijfveer is simpel: de wereld heeft steeds meer databandbreedte nodig, en glasvezel is verreweg de meest efficiënte manier om data over lange afstanden te vervoeren. Een enkele glasvezeldraad kan met de juiste apparatuur terabits per seconde aan data doorlaten, met minimaal signaalverlies over honderden kilometers.
Maar er is meer. Onderzoekers proberen het vezeltrekproces zelf te verbeteren en uit te breiden naar nieuwe toepassingen. Denk aan vezels met een hol kanaal in het midden in plaats van massief glas (hollow-core fiber), waardoor licht grotendeels door lucht reist in plaats van door glas. Dat kan signalen sneller laten reizen, met minder vertraging, wat belangrijk is voor bijvoorbeeld financiële handelssystemen en toekomstige quantumcommunicatie.
Een andere ambitie is het trekken van vezels die niet alleen licht geleiden, maar ook elektronica, sensoren of zelfs kleine halfgeleiderchips in zich dragen. Dat opent de deur naar 'slimme' textiel en kleding die metingen kan doen, of medische sensoren die als een dunne draad in het lichaam kunnen worden ingebracht.
Voorbeelden uit de praktijk
Het fundament van moderne glasvezel werd gelegd in 1970, toen onderzoekers Robert Maurer, Donald Keck en Peter Schultz bij Corning erin slaagden een glasvezel te maken met een signaalverlies laag genoeg om praktisch bruikbaar te zijn voor telecommunicatie. Dat doorbraakmoment ligt aan de basis van vrijwel alle glasvezelnetwerken die nu wereldwijd in gebruik zijn.
Een recenter voorbeeld is het Britse bedrijf Lumenisity, dat hollow-core fiber ontwikkelde en produceerde. Microsoft nam het bedrijf in 2022 over om deze technologie te gebruiken in de eigen datacenterverbindingen, met als doel lagere latentie (vertraging) in het dataverkeer tussen datacenters.
Aan de Universiteit van Bath en het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht werkt fysicus Philip Russell al decennia aan zogeheten photonic crystal fibers: vezels met een microscopisch klein patroon van luchtgaten die het gedrag van licht op ongebruikelijke manieren kunnen sturen. Dit onderzoek heeft geleid tot toepassingen in laseroptica en meetinstrumenten.
Aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontwikkelde het team van hoogleraar Yoel Fink sinds de jaren 2000 methodes om niet alleen glas, maar ook metalen en halfgeleidermaterialen samen te trekken tot composietvezels. Dit werk vormde mede de basis voor het Amerikaanse initiatief Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), dat sinds 2016 onderzoek doet naar vezels met ingebouwde elektronica voor kleding en textiel.
Op industriële schaal produceert het Chinese bedrijf Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC) al jaren tientallen miljoenen kilometers glasvezel per jaar, wat illustreert hoe vezeltrekken van laboratoriumtechniek is uitgegroeid tot massaproductie op wereldschaal.
Hoe ver is de techniek?
Het basisproces van vezeltrekken voor standaard telecomvezel is volwassen technologie: het gebeurt al decennia op industriële schaal en de kwaliteit is hoog voorspelbaar, vastgelegd in internationale normen zoals de ITU-T G.652-standaard voor single-mode vezel. Fabrikanten concurreren vooral op kostprijs, snelheid en consistentie, niet op fundamentele doorbraken.
Aan de randen van het vakgebied ligt dat anders. Hollow-core fiber is inmiddels commercieel verkrijgbaar voor gespecialiseerde toepassingen, maar nog niet kosteneffectief genoeg om standaard glasvezel te vervangen in gewone netwerken. De productie is lastiger te beheersen omdat de holle structuur tijdens het trekken makkelijker vervormt.
Multimateriaalvezels met ingebouwde elektronica staan nog vroeger in de ontwikkeling. De grootste uitdaging is dat verschillende materialen (glas, metaal, halfgeleiders) elk een andere smelttemperatuur en viscositeit hebben, waardoor ze niet zomaar samen door dezelfde trektoren kunnen. Onderzoekers werken met speciale combinaties van materialen die wel compatibel zijn, maar dit blijft grotendeels laboratoriumwerk met beperkte productievolumes.
Een belangrijk obstakel voor de hele sector is bovendien de energie-intensiteit van het proces: de ovens in een trektoren moeten continu op temperaturen boven de 2000 graden worden gehouden, wat vezeltrekken tot een relatief energie-intensief productieproces maakt.
Wie werken eraan?
De grootste commerciële producenten van optische vezel zijn Corning (Verenigde Staten), Prysmian Group (Italië), Sumitomo Electric en Fujikura (Japan), OFS/Furukawa (Japan/VS) en YOFC (China). Samen zijn deze bedrijven verantwoordelijk voor het overgrote deel van de wereldwijde glasvezelproductie.
Op onderzoeksgebied spelen universiteiten een grote rol: naast MIT en de Universiteit van Bath doet ook het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht in Duitsland fundamenteel onderzoek naar nieuwe vezelstructuren. In de Verenigde Staten ondersteunt het National Institute of Standards and Technology (NIST) meetstandaarden voor de sector.
Nederland heeft met de Technische Universiteit Eindhoven een sterke traditie in fotonica-onderzoek, onder meer via het onderzoeksprogramma PhotonDelta, dat zich richt op geïntegreerde fotonica al is dat gebied deels verwant aan, maar niet identiek aan klassiek vezeltrekken.