Hoe werkt glasvezel? Zo draagt licht je gesprek door glas
Glasvezel, of optische vezel, draagt je gesprek als lichtflitsen door een draad van glas die dunner is dan een haar: licht voor een 1, donker voor een 0. Een laser stuurt de flitsen erin, het glas houdt ze tientallen kilometers lang binnen, en aan het andere eind maakt een ontvanger er weer data van. Glasvezelinternet, telefoongesprekken en de verbindingen tussen steden en landen reizen allemaal zo. Vandaag draagt één vezel veel kleuren licht tegelijk, elk met een eigen reeks enen en nullen. In het Engels heet het optical fibre, in de Verenigde Staten optical fiber.
Paars: je gesprekLegenda
- Paars: je gesprek
- Andere kleuren: ander verkeer
- Huisje langs de weg: versterker
- Huisje langs de weg: regenerator
100% van het licht nog in het glasvan het licht nog in het glas
160 km glasvezel · zeven kleuren klaar
Druk op een knop, of klik op de kabel of het huisje om erin te kijken.Druk op een knop, of tik op de kabel of het huisje om erin te kijken.
Schakel naar 1988, het jaar waarin de eerste glasvezel de Atlantische Oceaan overstak: één kleur licht, en ongeveer om de 40 km een regenerator die het licht omzette in elektriciteit en weer terug.
Anatomie van een glasvezelverbinding: één gesprek tussen twee centrales die 160 km uit elkaar liggen, zoals het vandaag werkt en zoals het in 1988 werkte. De ruimtes zijn groot getekend en het veld ertussen klein. De kleuren staan voor golflengtes van infrarood licht, dat geen oog kan zien.
-
Volg één gesprek
Druk op Gesprek afspelen en kijk mee, of scrol naar beneden: de tekening volgt je stap voor stap. Met Zelf proberen, onder de tekening, voer je je eigen gesprek.Druk op Gesprek afspelen en kijk mee, of ga met Volgende stap voor stap verder. Met Zelf proberen, onder de tekening, voer je je eigen gesprek.
-
Stap 1 van 6
Je stem wordt enen en nullen
Je belt een vriend in een stad op 160 km afstand. Je telefooncentrale meet je stem 8.000 keer per seconde en verstuurt elke meting als een getal, geschreven in enen en nullen. In de centrale van je stad bundelt een rack je gesprek met andere gesprekken en data die dezelfde kant op gaan.
Uit hoeveel enen en nullen bestaat een gesprek?
Een gewoon telefoongesprek heeft er 64.000 per seconde nodig in elke richting. Dat zijn 8.000 metingen per seconde, elk geschreven met 8 bits, en een bit is een 1 of een 0.
Tegen de tijd dat je gesprek de vezel bereikt, bestaat het alleen nog uit getallen.
Bronnen: ITU-T G.711: pulse code modulation of voice frequencies (1988)
-
Stap 2 van 6
Een laser flitst ze weg als licht
Op de werkbank neemt een laser je enen en nullen en maakt er licht van: een flits voor een 1, donker voor een 0. Hij schakelt zo snel dat geen oog het kan volgen. De laser zelf is een chip zo groot als een zandkorrel, in het kastje dat je ziet.
Kun je het licht zien?
Nee. Het is infrarood licht met een golflengte van ongeveer 1,55 micrometer, langer dan het rode licht dat ogen kunnen zien. Bij die golflengte verliest glas het minste licht, dus lange verbindingen gebruiken die.
De tekening geeft elke golflengte een eigen kleur, zodat je ze uit elkaar kunt houden. Het licht van jouw gesprek is paars.
In 1988 stuurden de lasers van TAT-8, de eerste glasvezelkabel over de Atlantische Oceaan, 280 miljoen enen en nullen per seconde, op een golflengte van 1,3 micrometer.
Bronnen: Nobel Prize: popular information, the physics prize (2009); Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009); IEEE: Milestone, TAT-8, the first fibre-optic cable across an ocean (2016)
-
Stap 3 van 6
Veel kleuren delen één vezel
Naast jouw laser staan er nog zes, elk afgestemd op een eigen golflengte, een eigen kleur, en elk met andere gesprekken en data. Korte gele snoertjes brengen hun licht naar een combiner, die alle zeven kleuren op één vezel zet. Ze reizen samen zonder zich te mengen, zoals radiozenders samen de ether delen. Ingenieurs noemen dit golflengtemultiplexing, of WDM (wavelength division multiplexing).
Hoeveel kleuren passen er in één vezel?
De ITU, het agentschap van de Verenigde Naties voor telecommunicatie, legt de kleuren vast op een raster rond 193,1 terahertz, een golflengte van ongeveer 1.552,5 nanometer. Met 50 gigahertz tussen de kleuren past er in de band waar glas het minste verliest, van 1.530 tot 1.565 nanometer, plaats voor zo'n 80. De tekening toont er zeven.
In 1988 droeg een vezel één kleur. Alle gesprekken erop kwamen om de beurt, een paar enen en nullen tegelijk.
Bronnen: ITU-T G.694.1: spectral grids for WDM applications (2020); ITU-T G.652: single-mode optical fibre and cable (2024)
-
Stap 4 van 6
Het glas houdt het licht binnen
De kabel loopt in een buis onder het veld. Daarin is de vezel een draad van glas van 0,125 mm doorsnee. In het midden zit de kern, zo'n 0,009 mm breed, van glas dat licht iets sterker afbuigt dan de mantel eromheen. Dwaalt het licht af naar de rand, dan kaatst het dus terug de kern in. Natuurkundigen noemen dit totale interne reflectie, en het houdt het licht kilometer na kilometer in het glas.
Kijk erin De vezel
- 1Coating
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
Zo'n 80 kleuren kunnen één vezel delen, elk met een eigen reeks flitsen. De tekening toont er zeven.
- 1Coating
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
1 kleur licht per vezel, op 1,3 micrometer, op TAT-8 in 1988. Het glas was van dezelfde soort als nu.
Waarom lekt het licht er niet uit?
Het is hetzelfde effect dat je onder water ziet. Licht dat onder een vlakke hoek van water naar lucht gaat, komt er helemaal niet uit. Het kaatst terug het water in. Licht in de kern raakt de mantel onder zo'n vlakke hoek, dus de rand van de kern werkt als een perfecte spiegel.
Ook in glas is het licht snel. Het heeft ongeveer 5 miljoenste van een seconde nodig voor elke kilometer, dus het legt zo'n 200.000 km per seconde af, twee derde van zijn snelheid in het luchtledige. Over de 160 km in de tekening komt dat op 0,8 duizendste van een seconde. De tekening laat het 6.000 keer trager lopen.
Bronnen: Nobel Prize: popular information, the physics prize (2009); Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009); ITU-T G.652: single-mode optical fibre and cable (2024); ITU-T G.114: one-way transmission time (2003); ITU-T G.694.1: spectral grids for WDM applications (2020)
-
Stap 5 van 6
Een versterker vult het licht aan
Zelfs dit heldere glas verliest op elke kilometer een beetje licht. Na 80 km is er minder dan 1% van over. Daarom komt de kabel ongeveer om de 80 km boven in een huisje langs de weg. Daarin maakt een versterker het licht weer sterk. Die versterker is een spoel vezel met het metaal erbium erin, die energie krijgt van een pomplaser. Hij versterkt alle kleuren tegelijk, en het licht verlaat het glas nooit.
Kijk erin De versterker
- 1Vezel in
- 2Pomplaser
- 3Erbiumvezel
- 4Vezel uit
630 keer sterker licht uit 3 m erbiumvezel, in de eerste versterker van die soort, in 1987 in Southampton
- 1Fotodiode
- 2Printplaat
- 3Laser
- 4Vezel in en uit
280 miljoen enen en nullen per seconde door elke regenerator op TAT-8, de eerste glasvezelkabel over de Atlantische Oceaan
Wat stond er in 1988 in het huisje?
Een regenerator. Een fotodiode zette het zwakke licht om in elektriciteit, een printplaat las de enen en nullen en poetste ze op, en een nieuwe laser stuurde ze verder als vers licht. Hij werkte op één kleur, op 1,3 micrometer, waar glas meer licht verliest, dus de huisjes stonden zo'n 40 km uit elkaar.
De erbiumversterker kwam in 1987 uit een lab van de Universiteit van Southampton. Daar maakte 3 m vezel met erbium erin het licht tot 630 keer sterker. Zulke versterkers hebben sindsdien de meeste regeneratoren vervangen.
Bronnen: ITU-T G.652: single-mode optical fibre and cable (2024); ITU-T G.692: optical interfaces for systems with optical amplifiers (1998); ITU-T G.977: optically amplified submarine cable systems (2015); ITU-T G.957: optical interfaces for SDH equipment and systems (2006); AT&T Technical Journal: lasers and photodetectors for submarine lightwave cables (1985); Electronics Letters: a low-noise erbium-doped fibre amplifier (1987); Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009)
-
Stap 6 van 6
De kleuren splitsen, en licht wordt weer data
In de verre centrale stuurt een splitter elke kleur via een eigen snoer naar een eigen ontvanger. Daar zet een fotodiode licht om in een piepklein elektrisch stroompje: stroom voor een 1, geen stroom voor een 0. Het rack maakt van je getallen weer geluid en stuurt je gesprek door naar je vriend. Je stem heeft 0,8 duizendste van een seconde in het glas doorgebracht.
Waarom glas en geen koper?
Licht draagt veel meer. Het kan tienduizenden keren meer informatie dragen dan radiogolven.
Glas trekt zich ook niets aan van het weer. Anders dan koper heeft het geen last van bliksem, en anders dan radio geen last van slecht weer.
Hetzelfde licht, in hetzelfde soort glas, draagt ook gesprekken onder de oceanen, met versterkers in capsules op de zeebodem.
Bronnen: Nobel Prize: popular information, the physics prize (2009); AT&T Technical Journal: lasers and photodetectors for submarine lightwave cables (1985)
Kijk erin: 1988 en vandaag
Het glas veranderde nauwelijks. Het licht erin wel: tientallen kleuren in plaats van één, en versterkers die ze allemaal opkrikken zonder er elektriciteit van te maken.
Hetzelfde glas en het kastje in het huisje, 38 jaar uit elkaar. Wijs een onderdeel aan, of tik erop, om te zien wat het doet.
1988
Vandaag
De vezel
- 1Coating
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
1 kleur licht per vezel, op 1,3 micrometer, op TAT-8 in 1988. Het glas was van dezelfde soort als nu.
De vezel
- 1Coating
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
Zo'n 80 kleuren kunnen één vezel delen, elk met een eigen reeks flitsen. De tekening toont er zeven.
Kleuren licht op één vezelIEEE; ITU-T G.694.1; ITU-T G.652
1
Op 1,3 micrometer
Ongeveer 80
50 gigahertz uit elkaar, rond 1,55 micrometer
Wat het licht aanvultAT&T Technical Journal; Nobel Prize
Regenerator
Licht wordt elektriciteit, en dan weer nieuw licht
Versterker
Erbiumvezel versterkt elke kleur, als licht
Afstand tussen de huisjesITU-T G.957; ITU-T G.692
Ongeveer 40 km
Ongeveer 80 km
Enen en nullen per seconde, één vezelpaar over de Atlantische OceaanIEEE; Google
280 miljoen
TAT-8
Zo'n 20 miljoen miljoen
Dunant, 250 terabit per seconde over 12 paar
Het glas zelfITU-T G.652
Singlemode
De standaardvezel van de ITU, voor het eerst vastgelegd in 1984
Singlemode
Dezelfde standaard, herzien in 2024
De versterker
- 1Fotodiode
- 2Printplaat
- 3Laser
- 4Vezel in en uit
280 miljoen enen en nullen per seconde door elke regenerator op TAT-8, de eerste glasvezelkabel over de Atlantische Oceaan
De versterker
- 1Vezel in
- 2Pomplaser
- 3Erbiumvezel
- 4Vezel uit
630 keer sterker licht uit 3 m erbiumvezel, in de eerste versterker van die soort, in 1987 in Southampton
Hoe helder het glas werd
Licht wordt zwakker als het door glas reist, en ingenieurs meten dat verlies in decibel per kilometer. 20 decibel verlies betekent dat 99 van de 100 delen van het licht weg zijn. Het verlies per kilometer van een vezel zegt je dus hoe ver het licht komt voordat er nog maar 1% over is.
Hoe ver licht komt voordat 99% verloren is
Berekend uit het verlies per kilometer van elk soort glas. De eerste vezels verloren 99% van hun licht in 20 m. Kao toonde in 1966 aan dat het meeste verlies uit onzuiverheden in het glas kwam, niet uit het glas zelf.
Licht dat over is na 1 km
95 op 100
Vandaag is na een volle kilometer vezel nog 95 van elke 100 delen van het licht over. Het doel van Kao in 1966 was 1 op 100.
-
1,6 miljard km
In 2011 lag er wereldwijd al meer dan 1,6 miljard km glasvezel, genoeg om zo'n 40.000 keer rond de aarde te wikkelen.
Hoe het zo gekomen is
- 1880
Spraak op een lichtstraal
Alexander Graham Bell en zijn assistent Charles Sumner Tainter sturen met de fotofoon spraak 1.300 voet ver, ongeveer 400 m, over een lichtstraal. Bell noemde het later zijn grootste uitvinding, groter dan de telefoon.
- 1966
Het glas is het probleem
In Londen toont Charles Kao aan dat glasvezels hun licht verliezen door onzuiverheden in het glas. Maak het zuiver, zegt hij, en licht kan gesprekken kilometers ver dragen. Zijn doel: na 1 km nog 1% van het licht over.
- 1970
Helder genoeg om te gebruiken
Bij Corning Glass Works in de staat New York maken Robert Maurer, Donald Keck en Peter Schultz een vezel die 17 decibel per kilometer verliest, beter dan het doel van Kao.
- 1975
De eerste werkende verbindingen
De eerste glasvezelverbindingen in dagelijks gebruik gaan open in het Verenigd Koninkrijk, en kort daarna in de Verenigde Staten en Japan.
Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009)
- 1987
Licht dat licht versterkt
Aan de Universiteit van Southampton laat een team zien dat 3 m vezel met erbium erin licht tot 630 keer sterker kan maken. Erbiumversterkers vervangen daarna de meeste regeneratoren.
Electronics Letters: a low-noise erbium-doped fibre amplifier (1987)
- 1988
Glasvezel steekt de oceaan over
TAT-8, de eerste glasvezelkabel over een oceaan, gaat op 14 december in dienst tussen Noord-Amerika en Europa. Hij gebruikt één kleur licht, op 1,3 micrometer, en draagt 40.000 gesprekken tegelijk.
IEEE: Milestone, TAT-8, the first fibre-optic cable across an ocean (2016)
- 2009
Een Nobelprijs voor het glas
Charles Kao deelt de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn werk aan licht in vezels voor communicatie, die toen al bijna alle gesprekken en data ter wereld droegen.
Waar Voxbi in beeld komt
Voxbi, een cloudtelefooncentrale gehost in de Europese Unie, stuurt je gesprekken als data over het internet. Tussen steden en landen reizen ze dus als licht door glasvezel zoals deze.
Bekijk het in Voxbi