Optische verbindingen: tussen onderzoek en praktijk

Optische dataoverdracht heeft zo zijn voordelen ten opzichte van elektrische. Maar er zijn ook nadelen, waaronder de prijs. Dat die prijs niet altijd rechtstreeks verbonden is met aspecten die in onderzoek en ontwikkeling naar voor komen, maakt het verhaal misschien complexer, maar daarom niet minder boeiend.

Koperkabels en -verbindingen domineren het IT-landschap al jaren. Het laatste decennium is er echter een explosie van dataoverdracht over optische vezels. Het grootste voordeel van optische technologie is de hogere capaciteit. Wellicht het grootste nadeel is de hogere installatiekost. Hoofdzakelijk de alignering ter hoogte van de connectoren en de componenten is een doorslaggevende factor. Waar de nauwkeurigheid van elektrische verbindingsstukken enkele millimeter kan bedragen, moeten optische schakelingen op micrometer- of sub-micrometerniveau op elkaar aansluiten.

Het is daarom niet onlogisch dat optische verbindingen hun eerste belangrijke toepassing vonden in langeafstandscommunicatie. Bij een trans-Atlantische kabel weegt de extra materiaalkost van de optische vezel niet op tegen de hogere datastroom die je erdoor krijgt. Over dergelijke afstanden wordt ook de relatieve kost van connectoren verwaarloosbaar.

Maar ook voor kortere afstanden komen optische kabels meer en meer in trek. Op dit moment bevindt de technologie zich zowat op het niveau van bedrijfsnetwerken. Bij nieuwbouw spreken we dan vaak over optische kabels tot en met het netwerk in het gebouw. Bij aanpassingswerken blijft het vaak nog beperkt tot de kabels op het bedrijfsterrein of de campus. Doorslaggevende factor in heel het verhaal is de prijs. Al is die niet altijd terug te brengen tot de meest voor de hand liggende parameters als materiaalkost.

Hoogte van de valse vloer
Voor de mensen die in het onderzoek betrokken zijn, is het bij momenten wel verhelderend om op dat gebied met de beslissingsmakers in de IT-wereld aan tafel te zitten. IT-technici zien de dimensies van elektrische connectoren bijvoorbeeld al jaren groeien, naarmate ook de capaciteit toeneemt. Op termijn zorgt dat onvermijdelijk voor plaatsgebrek in de schakelkast, als het voor sommigen al niet zover is. Het feit dat optische connectoren minder plaats innemen voor dezelfde capaciteit, kan op dat moment de kostprijs in een ander daglicht stellen.

Een gelijkaardig verhaal komt terug bij koeling. De hoge dichtheid aan elektrische kabels belemmert vaak een goede doorstroming van de luchtkoeling. Denk maar aan de bundels koper die samenkomen in storage-infrastructuur. Overschakelen op – minder en minder warme – optische vezels kan ook hier soelaas bieden. Bovendien zijn optische kabels ongevoelig voor elektromagnetische straling, wat bij dergelijke dichtheden aan kabels ook een doorslag kan geven.

Wie een bedrijfsnetwerk installeert stoot vaak ook op de beperkte afstand van zowat honderd meter die je met een koperkabel kan overbruggen zonder prestatieverlies. Glasvezel heeft deze beperking niet. Haast anekdotisch wordt het als op een bepaald moment de hoogte van de valse vloer ontoereikend blijkt voor de massa’s kabels die eronderdoor moeten. Zo schakelden een aantal autoconstructeurs in hun luxemodellen al over op optische netwerken, gewoon omdat ze op die manier zowat vijftig kilogram koperkabel uitsparen.

Ingenieurs in onderzoek en ontwikkeling kunnen met andere woorden nog zo hard focussen op materiaal en ontwikkelingskost. In de praktijk wordt de prijs duidelijk bepaald door een heel aantal bijkomende aspecten. Vandaar ook dat de trendlijn voor implementatie van optische vezels sneller stijgt dan dat de productiekost van de technologie op zich daalt.

Fiber to the home
Grootste drempel voor de verdere doorbraak van optische vezels tot bij de consument thuis zal waarschijnlijk haast letterlijk degene worden onder de voordeur. Op zich vereisen de meeste thuistoepassingen ook nog geen optische kabels. Operatoren slaan consumenten maar al te graag om de oren met hogere bandbreedtes, maar als je ziet dat een HDTV-signaal over dezelfde kabel komt als bijvoorbeeld een Flash-website, vraag je je toch af waarom die eerste niet en die tweede soms wel op zich laat wachten.

De hogere eisen moeten dus niet noodzakelijk teruggebracht worden naar de verbindingskabel, maar naar aspecten zoals compressietechnieken, beperkingen van de hardware of de toegenomen ‘ongeduldigheidsfactor’ van de gebruiker.

Al is het op termijn natuurlijk een schaalkwestie. Hoe meer spelers, hoe groter de noodzaak aan optische verbindingen. Het concept ‘fiber to the home’ – of ‘fiber to the curb’ – heeft dan ook stilaan zijn ingang gevonden bij de meeste infrastructuurbeheerders. Het idee erachter is om in heel het land de optische vezel tot voor de deur te leggen en enkel de laatste meters elektrisch – of draadloos – te verbinden. In Japanse grootsteden bereikt dit soort technologie al een groot deel van de bevolking, maar dat is grotendeels dankzij de stimulans vanwege de overheden.
Kleurentelevisie
Naast het kostenaspect, speelt nog een tweede parameter een belangrijke rol. Bij de overgang naar een nieuwe technologie heeft ook compatibiliteit een grote invloed. Zo is de manier waarop we kleurentelevisie door de ether sturen zeker niet de meest optimale.

De reden dat een bepaalde manier van versturen is doorgebroken, is simpelweg omdat die toeliet om ook nog zwart-wit beelden te verwerken. De zenders konden het immers niet maken dat iedereen van dag op dag een nieuw toestel had moeten kopen. Voor optische verbindingen op korte afstanden situeert dit verhaal zich op twee niveaus.

Allereerst zijn er de fabrikanten van printplaten. Zij zitten niet te wachten op een optische technologie waarvoor ze hun hele processflow uit het raam moeten gooien. Wie zoekt naar een optische verbinding op – of in – printplaten, kan maar beter zorgen dat die met een minimum aan bijkomende stappen kan geïntegreerd worden met de bestaande productiemethodes. Optische verbindingen zullen de elektrische trouwens ook nooit helemaal vervangen. Elektrische schakelingen zijn zo ‘mainstream’ en goedkoop dat het voor veel toepassingen geen enkele zin heeft om ze proberen te vervangen.

Een tweede struikelblok op het vlak van compatibiliteit bevindt zich bij de operatoren en netwerkbeheerders. Die maken voor hun langeafstandscommunicatie gebruik van zogenaamde single-mode vezels. Dat zijn optische kabels met een kern met een kleine diameter waarin één optische golf kan propageren. Vanwege de minimale verliezen is dit de meest geschikte technologie voor optische dataoverdracht over lange afstanden. Voor kortere afstanden zou in theorie echter een andere technologie moeten domineren, namelijk multi-mode vezels. Deze hebben een grotere diameter, waardoor de allignatie in de connectoren tot een factor tien minder kritisch wordt. Dat laatste is natuurlijk een enorm voordeel voor dataoverdracht op korte afstand, waarbij veel connectoren vereist zijn.

Als je nu weet dat de dataomzetting van multi-mode naar single-mode verre van een sinecure is, begrijp je meteen waarom de telecom-operatoren niet echt staan te springen om massaal lokale optische netwerken te zien ontstaan gebaseerd op multi-mode vezels. Het is dan ook te verwachten dat de eerste doorbraken voor het gebruik van optische verbindingen in systemen en op printplaten eerder zullen komen uit andere sectoren.

Voorbeelden zijn de eerder genoemde automobielindustrie, maar ook netwerken van optische sensoren, data-storage, datanetwerken enzovoort. Deze omgevingen hebben het voordeel dat de optische data in het systeem gegenereerd, getransporteerd en verwerkt wordt, los van beperkingen in de buitenwereld.

Nieuwe toepassingen
Maar laten we ons niet ontmoedigen door deze obstakels, want zodra de optische verbindingen er zijn, worden ook een pak nieuwe toepassingen mogelijk. Hoewel de grotere capaciteit op zich misschien niet altijd de doorslagge
vende factor was geweest bij de investering, zullen we er toch maar handig gebruik van kunnen maken.

Van zodra elk netwerk en pc is uitgerust met optische vezels, is er geen specifieke hardware meer nodig voor veeleisende toepassingen waarbij bijvoorbeeld livestream video nodig is hoge resolutie en in een of twee richtingen. Voor een videoconferentie of online seminarie in hoge resolutie moeten we op dit moment vaak nog verhuizen naar dat ene lokaal of gebouw waar de juiste apparatuur voorhanden is. Binnen een aantal jaar blijven we met z’n allen achter ons eigen bureau.

Koen Snoeckx is wetenschappelijk redacteur bij IMEC, Paul Vandeloo is vicepresident ICT bij IMEC en
Peter Van Daele is professor IMEC-INTEC, TFCG Microsystems aan de Universiteit Gent.