Hoofdstuk 1: Lasers en optische communicatie — een korte historiek

Hoofdstuk 1:
Lasers en optische communicatie — een korte historiek
Inhoud:
A. Lasers en het jaar 1917
B. Atomaire energieovergangen en de zoektocht naar betere klokken
C. Masers
D. De eerste laser
E. Optische communicatie
1-1
1-2
1-3
1-3
1-4
A. Lasers en het jaar 1917
Lasers zijn, zoals vele technische ontwikkelingen, een product van de voortdurende
vooruitgang van de wetenschap. Hoewel ze nu zo'n 50 jaar bestaan, zijn ze in 1960 ook
niet plotseling uit de lucht gevallen, maar waren een logisch uitvloeisel van een
continue reeks van research-successen in de domeinen van atomaire structuren,
spectroscopie, hoogfrequent versterking, precisie optica en oscillatoren.
De uitvinding van de laser, zoals zovele hedendaagse realisaties, kan ook niet aan één
persoon toegeschreven worden maar we proberen kort te schetsen wie de voornaamste
bijdragen geleverd hebben.
Het zal misschien verbazing wekken maar de grondslagen van de werking van de
laser werden reeds in 1917 vastgelegd door Albert Einstein1.
De laserwerking is namelijk gebaseerd op de quantum natuur van de straling, een
aspect dat in het begin van de 20e eeuw (als gevolg van de successen van de
golftheorieën - wetten van Maxwell - en de interferentieproeven van Young) wat op de
achtergrond geraakt was.
Het foto-elektrische effect (d.i. het losslaan van elektronen uit metallische
oppervlakken, een fenomeen dat bleek gekoppeld te zijn aan de golflengte van licht en
in tweede orde pas aan de intensiteit ervan)2 kon slechts verklaard worden indien men
het bestaan van elementaire energiequanta aannam. Einstein ging nog verder door
ook het bestaan van fotonen te poneren.
Einstein's bijdrage tot de lasertheorie ligt in zijn visie op het fundamentele
onderscheid tussen spontane en gestimuleerde energieovergangen bij absorptie en
emissie van straling. Dit wordt in hoofdstuk 2 verder uitgewerkt.
1
2
A. Einstein, "Zur Quantentheorie der Strahlung", Phys. Z., 18, 121-128, March 1917. PDF versie op
http://kuleuven.be/optische_communicatie, rubriek "Links"
Het foto-elektrisch effect wordt ook nu nog gebruikt in zeer gevoelige lichtdetectoren:
de foto-vermenigvuldigerbuizen
(cf. http://jp.hamamatsu.com/products/sensor-etd/pd002/index_en.html)
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 1
Toch zou het nog tot in 1960 duren voor de eerste laserstraling opgewekt werd. De
reden van deze vertraging is zeer eigenaardig: men had er geen behoefte aan of
tenminste, men kon niet vermoeden dat coherent3 licht zulke unieke eigenschappen
had.4
B. Atomaire energie-overgangen en de zoektocht naar betere klokken
Al in 1879 maakte Lord Kelvin de bedenking dat de meeste atomen een soort
onveranderlijke, ingebouwde klok schenen te hebben. Hij leidde dit af uit het feit dat
de lichtuitstraling van natriumdamp (waarvoor het natriummetaal uiteraard verhit
moest worden) een zeer typisch en onveranderlijk spectrum vertoonde: twee lijnen5 in
het geel (rond 589 nm) waarvan de golflengten altijd dezelfde waren en met zeer grote
nauwkeurigheid gemeten kon worden.
In het begin van de twintigste eeuw werd veel energie gestoken in de studie van het
eenvoudigste atoom: waterstof, maar de energieovergangen in waterstof vallen in het
UV en zichtbare gebied (de Lyman en Balmer spectra), m.a.w. bij frequenties
(ordegrootte 100 THz) die niet elektronisch geteld konden worden.
In 1945 stelde Isidor Rabi voor om met een alkalimetaal scheep te gaan: cesium. En
dan wel met de spin-flip overgang voor het enige elektron op de buitenste schil. De
frequentie hiervan ligt immers in het microgolfgebied, kan wel rechtstreeks gemeten
worden met elektronische schakelingen en bleek extreem stabiel.
Zoals vermoedelijk wel bekend, werd deze cesiumovergang dan in 1967 gebruikt om de
seconde te definiëren: "The second is the duration of 9 192 631 770 periods of the
radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the
ground state of the caesium 133 atom."6,7
Het is misschien wel al nuttig op te merken dat de "klokovergangen" altijd gebaseerd
zijn op absorptie van energie wanneer elektronen van energieniveau wisselen. In
enkele kloktypes baseert men zich zelfs op de absorptie door één enkel atoom. Zoals
we verderop zullen zien zijn lasers gebaseerd op een combinatie van absorptie en
energieafgifte. Een van de onmiddellijke gevolgen is wel dat de bandbreedte van
laserstraling verschillende ordegroottes groter is dan de bandbreedte bij absorptie.
3
4
5
6
7
zie hoofdstuk 2 voor uitleg over het begrip coherente straling.
G. François, "De Laser en zijn Toepassingen", cursusnota's K.U.Leuven, p. 5
"Zelfs na de ontwikkeling van de laser werd gedurende jaren de vraag gesteld: 'Waarvoor zal hij
ooit kunnen dienen?' ; en de laser kreeg de reputatie een oplossing te zijn op zoek naar een
probleem...".
het begrip "lijn" komt eigenlijk uit de fotografische meting van de spectra van sterren. Een
interstellaire atmosfeer die bv. natrium bevat, absorbeert de vernoemde twee frekwenties uit het
min of meer witte licht van een achterliggende ster, waardoor in het waargenomen spectrum twee
zwarte (absorptie-) lijnen te vinden zijn.
Tony Jones, "Splitting the second: the story of atomic time", ed. IOP, ISBN: 0750306408 (2000)
cf. http://www.unc.edu/~rowlett/units/dictS.html#second
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 2
C. Masers
Na de tweede wereldoorlog werd het microgolfgebied, als gevolg van de evolutie van de
RADAR, grondig geëxploreerd8. Voor het toestel dat voor het eerst in de geschiedenis
coherente straling van enig vermogen produceerde, werd het letterwoord MASER
verzonnen, wat staat voor "Microwave Amplification by Stimulated Emission of
Radiation"9. De uitvinding van de maser wordt toegeschreven aan Charles Townes10
(theoretisch voorspelde hij dat dit mogelijk moest zijn in 1951; de eerste echte
[ammoniak]maser oscilleerde bij 24 Ghz in 1954)11. Slechts korte tijd later bouwden
Basov en Prokhorov de eerste Sovjet maser.
Townes bleef niet bij de pakken zitten en zocht naar oscillatoren bij hogere (d.w;z.
optische) frequenties. Hij was de eerste die, samen met Arthur Schawlow, in 1958
theoretisch aantoonde dat "optische masers" (zoals lasers in die tijd nog genoemd
werden) mogelijk moesten zijn12.
D. De eerste laser
De eerste echte laser werd uiteindelijk op gang gebracht door Theodore Maiman in
196013. Hij slaagde erin, tegen de verwachtingen van Townes en Schawlow in,
coherent gepulst laserlicht in een robijnstaaf op te wekken.
Enkele maanden later al werd de HeNe gaslaser ontdekt door Javan, Bennett en
Herriott14.
In 1961 werd ook de eerste neodymiumlaser15 gebouwd door Johnson en Nassau en in
1962 werd door verschillende onderzoekers de werking van halfgeleiderlasers in GaAs
beschreven16.
8
9
10
11
12
13
14
15
16
In 1949 werd de eerste atoomklok, gebaseerd op absorptie van ammoniakstraling door Lyons
gebouwd. Cf. Tony Jones, op.cit. , p. 42
en eigenlijk foutief is: masers zijn oscillatoren en niet enkel versterkers van microfgolfstraling.
Hetzelfde probleem doet zich voor bij het woord "laser".
http://www.bell-labs.com/history/laser/invention/townes-bio.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Maser
A. Schawlow & C. Townes, "Infrared and Optical Masers", Phys. Rev., 112, 1940-1949 (Dec. 1958)
T.H. Maiman, "Stimulated Optical Radiation in Ruby", Nature, 187, 493-494 (1960)
A. Javan, W.R. Bennet Jr. & D.R. Herriot, "Population Inversion and Continuous Optical Maser
Oscillation in a Gas Discharge containing a He-Ne Mixture", Phys. Rev. Letters, 6, 106 (Feb. 1961)
Hiervoor worden neodymiumatomen in een kristalrooster van YAG (yttrium aluminium granaat)
ingebouwd. L.F. Johnson & K. Nassau, Proc. IRE, 49, 1704 (1961)
Theoretisch:
W.P. Dumke, "Interband Transitions and Maser Action", Pys. Rev., 127, 1559 (Sept. 1962)
Experimenteel:
R.N. Hall, G.E. Fenner, J.D. Kingley, T.J. Soltys, R.O. Carlson, "Coherent Light Emission from
GaAs Junctions", Phys. Rev. Letters, 9, 366 (Nov. 1962)
(zie ook: http://web.mit.edu/invent/iow/hall3.html)
M.I. Nathan, W.P. Dumke, G. Burns, F.H. Dill jr., G. Lasher, "Stimulated Emission of Radiation
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 3
In 1964 volgde de ontdekking van de CO2 laser door Patel17 en de argonlaser door
Bridges18. De CO2 laser is gebaseerd op moleculaire overgangen, de argonlaser op
overgangen in het geïoniseerde argongas.
Later volgden nog tientallen lasertypes. Industrieel belangrijk zijn de, in golflengte
afstembare, kleurstoflaser19 en de excimeerlaser (als voornaamste bron van UV of
kortgolvig zichtbaar licht). Excimeren zijn kortlevende dimeren van atomen die geen
stabiele verbinding kunnen vormen (bv. kalium en xenon, xenonfluoride).
Ten gevolge van de verbetering van de lichtopbrengst van halfgeleiderlasers en door
de vooruitgang in de niet-lineaire optiek worden thans zeer compacte lasers
geproduceerd gebaseerd op frekwentieverdubbeling (of zelfs verviervoudiging) van de
NdYag laser. Infrarood laserdiodes met hoog rendement worden hier als pomplicht
gebruikt. Een van de meest recente trends is het maken van lasers in organische
materialen (plastics).
Tot slot: nog veel meer details en "verhalen" over de kleine en grote geschiedenis van
de laser-uitvinders vindt men in het boek "Laser Pioneers" door Jeff Hecht20.
E. Optische communicatie
Het gebruik van licht om boodschappen over te brengen is zeer oud. Van bij het begin
van het Romeinse imperium tot bij de Franse revolutie werden vuren aangelegd op de
heuvels om op die manier boodschappen, voornamelijk rond krijgsverrichtingen, over
te brengen. In de "nieuwe wereld" is het voorbeeld van de indianen die via
rookpluimen berichten verzonden, welbekend.
Het systeem van de open vuren werd later vervangen door spiegels die het zonlicht
weerkaatsten (heliografen) of door krachtige lampen met reflectoren. Overdag
17
18
19
20
form GaAs p-n Junctions", Appl. Phys.Letters, 1, 62 (Nov. 1962)
T.M. Quist, R.H. Rediker, R.J. Keyes, W.E. Krag, B. Lax, A.L. McWhorter, H.J. Zeigler,
"Semiconductor Maser of GaAs", Appl. Phys. Letters, 1, 91 (Dec. 1962)
C.K.N. Patel, "Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO2", Phys.
Rev., 136, nr 5A, A1187 (Nov. 1964) en
http://web.mit.edu/invent/iow/patel.html
W.B. Bridges, "Laser Oscillation in singly ionized Argon in the visible Spectrum", Appl. Phys.
Letters, 4, 128 (April 1964)
P. P. Sorokin, J. R. Lankard, "", IBM Journal of Research and Development, vol 10, p. 162 es,
March 1966
J. Hecht, "Laser Pioneers", ed. Academic Press, ISBN 0 12-336030-7, 1991.
Een stukje hieruit vindt men via:
http://kuleuven.be/optische_communicatie, volg link naar extra info
(PIONEERS)
Een ander historisch overzicht vindt men in:
"Centennial Papers", IEEE J. Quantum Electronics, QE-20, 545-615 (June 1984)
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 4
werden seinarmen gebruikt (de semafoor-telegraaf van Chappe - zie het voorbeeld op
de volgende pagina).
Haven- en kustbeveiliging via vuurtorens is ook nu nog in gebruik. De
rotatiesnelheid van de lichtbundel is voor elke vuurtoren verschillend wat in feite een
vorm van pulsmodulatie is. Op zeekaarten is deze frequentie aangegeven zodat men in
dichte mist toch de verschillende vuurtorens kan identificeren21.
Fig 1-1: Cape Hatteras Lighttower / Fl (W) 7.5s [Flashing White every 7.5 seconds], height: 192 feet,
range: 24 nautical miles.
In 1870 toonde Tyndall voor de British Royal Society aan dat het mogelijk was licht
te geleiden door een gekromde waterstraal en kort daarna onderzocht Graham Bell of
het mogelijk zou zijn om geluid te geleiden over lichtbundels.
Na de ontdekking van de laser (1960) werd opnieuw de optische datatransmissie in de
atmosfeer populair en werd bv. lichtbundelgeleiding door een systeem van in buizen
geplaatste opeenvolgende lenzen (om de bundeldiameter en de bundelrichting onder
controle te kunnen houden) weer ernstig onderzocht.
21
Maar een vraag die t.g.v. de opkomst van de GPS systemen kan gesteld worden, is: hoelang zijn
vuurtorens nog nodig?
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 5
Bij de opkomst van computernetwerken is ook de lichttransmissie door de atmosfeer,
bv. om een internetverbinding van 1 à 2 km te leggen, terug in gebruik gekomen.
Maar de bandbreedte ervan is om diverse redenen veel lager dan wat met
glasvezeltransmissie te bereiken is22.
In 1966 werkten Hockam en Kao voor het eerst de idee uit dat glasvezelkabels
koperkabels zouden kunnen vervangen voor breedbandcommunicatie. Onmiddellijk
startten verschillende onderzoeksgroepen werk in dit nieuwe domein zodat 1966 als
begindatum van de glasvezelcommunicatie mag aanzien worden.
In 1970 al bracht de firma Corning een glasvezel op de markt met een verzwakking
van minder dan 20 db per kilometer, een getal dat als de bovengrens voor economisch
verantwoorde glasvezelcommunicatie aanzien werd. Corning is ook nu nog een van de
meest gerenommeerde glasvezelfabrikanten.
Hedendaagse hoge-snelheids vezelsystemen gebruiken monomode vezels, diodes
gebaseerd op quantum-wells en, eigenaardig genoeg, opnieuw uitwendige modulatie23.
Meer en meer tracht men de systemen elektronica-vrij te maken door gebruik van
optische vezelversterkers (EDFA's en RA's - uitleg volgt later) in de steeds verder van
elkaar gelegen repeaterstations.
Kleurmultiplexing (WDM, wavelength division multiplexing, en vooral DWDM, dense
WDM) laat dan weer toe vele onafhankelijke kanalen op één glasvezelpaar te zetten.
Speciale pulsvormen (solitonen) slagen erin tienduizend kilometer glasvezel te
doorlopen zonder noemenswaardig breder te worden. De randvoorwaarden voor
solitonenpropagatie zijn echter streng en daarom kennen ze niet veel succes naast
DWDM.
Glasvezelcommunicatie wordt in detail behandeld in het tweede deel van deze
cursus.
22
23
zie bv. "Cable Free: Free-air optical networks go for a test run",
in Scientific American, Dec. 1999
en "Last Mile by Laser", Scientific American, June 2002.
Het aan- en afschakelen van de laserdiodes aan hoge snelheid geeft teveel overgangsverschijnselen
op de geproduceerde lichtstraal (vnl. tijdsafhankelijke frekwentieverschuivingen)
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 6
Fig. 1-2: De semafoor telegraaf van Chappe (uit de Encyclopedie van Diderot, 1795)
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 7
Fig. 1-3: Optische Communicatie - Semafoor van Chappe
Fig. 1-3: Solitonpropagatie over 20000 km glasvezel, voor en na.
Optische communicatie v2009
Jan Engelen
1- 8