De toekomst van de telematica, en dan met name van de explosief groeiende 'real-time' multimedia-communicatie (tekst, beeld, geluid), is sterk gekoppeld aan de ontwikkeling van breedband optische netwerken. Want optische netwerken kunnen de grote snelheid en de capaciteit leveren die nooodzakelijk zijn voor de directe verzending en weergave van de enorme hoeveelheden data die met multimedia-toepassingen gemoeid zijn.
De glasvezelkabel, de materiële drager van optisch informatietransport, heeft op zich een bijna oneindige capaciteit. Nu wordt bij datatransport nog maar één golflengte (kleur) van het licht gebruikt; straks zullen we die golflengte kunnen variëren (wavelength division multiplexing). Door meer golflengten in te zetten kun je gelijktijdig en flexibel veel meer signalen verzenden, net zoals in de ether met een veelvoud aan frequenties wordt gewerkt. En dat vergroot de capaciteit van netwerken enorm.
Toch is die enorme capaciteit nog geen garantie voor het voorkomen van verstopping op het net. Ook de besturing van het netwerk en de tussentijdse verwerking van gegevens vormen een kritische factor. Hier ligt een ware bottle-neck: informatietransport met de lichtsnelheid heeft natuurlijk weinig zin als dat transport vervolgens op andere beperkingen stuit.
Er is dus een snel en flexibel verkeerssysteem nodig voor de knooppunten in het net waar data worden geschakeld, ingevoerd, afgetapt of doorgesluisd. Om te voorkomen dat de winst van de hoge transportcapaciteit verloren gaat door trage afhandeling door de software moeten volledig optische schakelaars en goede verkeersregels (protocollen) worden ontwikkeld.
Kleine stukjes
In een breedbandnetwerk wordt informatie via ATM (Asynchronous Transfer Mode) over de kabel gezonden. De informatie wordt daartoe in kleine stukjes gehakt, waarbij elk datapakketje (ATM-cel) een 'adreslabel' krijgt (header). Bij elk knooppunt in het net (switch) worden standaard wat bitjes in die header veranderd. Bij ieder knooppunt wordt het adres dus als het ware 'doorgekrast' en herschreven (er staat nooit een eindadres).
Dit proces van 'packet-switching' verloopt in de huidige netwerken elektrisch, met behulp van elektronische switches. Je moet de optische informatie (het datapakketje) van het netwerk halen, omzetten in elektrische informatie, elektronisch bewerken, weer omzetten in optische informatie en die vervolgens met een laser weer op het net zetten. Deze complexe, omslachtige en tijdrovende procedure vormt een obstakel als je de netwerkcapaciteit juist wilt vergroten door sneller te schakelen of door met meerdere golflengten of modulatievormen te werken, omdat je dan de laser steeds opnieuw en op precies de juiste golflengte moet afstellen.
Rijnders en Van Bochove vroegen zich daarom af of er geen manier te vinden is om het schakelen en het wijzigen van het 'adreslabel' volledig optisch te doen, door gebruik te maken van de eigenschappen van het licht. Rijnders werkt onder begeleiding van Van Bochove binnen de TIOS-disciplinegroep Transmissiesystemen en -technologie aan een promotieproject over optischtransparante netwerken, waarbij de knooppunten waar elektro-optische of optisch-elektrische omzetting plaatsvindt centraal staan.
Ideaal
In korte tijd bedachten Rijnders en Van Bochove gezamenlijk een methode om ATM-cellen volledig transparant door een optisch netwerk te sturen. Dat resulteerde in een optische signaalprocessor (add-drop node, inmiddels wat ludiek 'bit-flip' gedoopt) waarvan het hart wordt gevormd door een nieuwe signaalverwerkingsmethode waarmee je bij net-knooppunten het 'adreslabel' van een inkomend datapakket naar believen kunt aanpassen.
Dat maakt de nieuwe vinding ideaal voor toepassing in packet-switched optische netwerken. Maar behalve in een ATM-switch kan de signaalprocessor ook uitstekend worden gebruikt bij de access points van packet-switched ringnetwerken, de punten waar informatie op het net wordt gezet (add) of er juist vanaf wordt geplukt (drop). Deze toepassing voorkomt nodeloze vertraging van de datapakketjes op hun 'reis' door de ring.
Een verbazingwekkend simpele, maar ook heel slimme techniek, zegt Marcel Rijnders er zelf van: 'Het leuke van onze oplossing is dat je bij het schakelen alleen wat optische bits uit de header hoeft te lezen. Het is niet meer nodig om de hele informatiestroom te onderbreken door de data af te tappen, elektronisch te bewerken en weer op het net te zetten.'
Werking
Hoe werkt het systeem? Het basisidee is dat naar believen bits kunnen worden omgezet in andere bits. Beperken we ons voor het gemak even tot aan-uit modulatie, dan correspondeert normaal gesproken een '0' met geen licht en een '1' met wel licht. Het probleem is nu dat een '1' makkelijk in een '0' om te zetten is (je zet gewoon even een optische schakelaar dicht), dat de overgang van een '0' naar een '1' uitermate lastig is, want daarvoor moet je laserlicht opwekken van precies de juiste golflengte.
De uitvinding houdt in dat gebruik wordt gemaakt van een speciale 'lijn-codering': de 'Manchester-codering'. Hierbij wordt één bit verstuurd als twee halve bitjes met tegengestelde waarde: een '0' wordt verstuurd als uit-aan en een '1' als aan-uit. Het slimme is nu dat je een '0' in een '1' kan veranderen door de twee halve bitjes in tijd te verwisselen (vandaar de naam 'bit-flip'). Op dezelfde manier zet je een '1' om in een '0'.
Dat verwisselen van de twee halve bitjes kan heel simpel door het hele signaal even te vertragen in een stukje glasvezel, en middels optische schakelaars de (onvertraagde) achterhelft van het bitje ervoor te schakelen. Een procédé dat wel wat lijkt op het af- en aankoppelen van treinwagons op een rangeerterrein. Een vervolgstudie heeft inmiddels al aangetoond dat nog veel efficiëntere coderingen bruikbaar zijn, de zogenaamde runlength-limited sequences. 'Het leuke is dat de voor dit alles benodigde theorie kant en klaar beschikbaar was vanuit een ander vakgebied, namelijk opslag van bits op magneetbanden en cd's', zegt Van Bochove.
Het grote voordeel van de nieuwe optische signaalprocessor is dat het systeem optisch transparant is voor de golflengte en het modulatieformaat van het inkomend signaal, doordat je geen lokale lichtbron (laser) meer nodig hebt. Het systeem is kostenbesparend: bij netwerken met meer golflengten hoef je straks maar één type component in voorraad te hebben. Je moet alleen de (lengte van de) vertraaglussen aanpassen als een nieuwe bitsnelheid wordt ingevoerd. Het concept blijkt verder uitstekend te werken bij hoge bitsnelheden (2,5 Gigabit - 2,5 miljard bits - per seconde), en kan potentieel goed geïntegreerd worden op een optische chip.
Octrooi
De optische signaalprocessor ontstond in een 'klassieke brainwave', vertelt Rijnders. 'Het is een simpele, elegante oplossing waarvan het basisprincipe eenvoudig uit te leggen is. Toen we het idee kregen, stond het concept ook binnen een kwartier op papier.' Het was een 'kwartje' dat moest vallen, vult Van Bochove aan, maar de 'TIOS-aanpak' heeft meegeholpen. 'Vaak concentreren onderzoekers zich op optische transmissie danwel lijn-coderingen. Hier combineren we die twee vakgebieden, en is het onderzoek ingebed in een multidisciplinair instituut als het CTIT. En dat stimuleert.'
Gezien de slimme eenvoud van hun vinding leek het Rijnders en Van Bochove een goed idee om hun oplossing te octrooieren. Daarvoor werd contact gezocht met Van Bochove's andere broodheer, KPN Research. KPN had er met het oog op de eigen octrooipositie en de relatie met de UT wel oren naar, al is de uitvinding commercieel nog weinig interessant - de introductie van volledig optisch transparante netwerken duurt nog wel tien jaar.
Afgesproken werd dat KPN eigenaar wordt van het octrooi. In ruil daarvoor draagt KPN alle kosten van de octrooi-aanvraag en doet het bedrijf een eenmalige schenking aan de UT van 50 duizend gulden, ter vrije besteding maar vooral bestemd om te investeren in apparatuur die nodig is om de signaalprocessor verder uit te werken. Als de vinding straks onverhoopt zeer winstgevend blijkt te zijn, zal opnieuw onderhandeld worden.
Op het moment van de octrooi-aanvraag (juni 1995) was er trouwens nog niets gerealiseerd. Dat gebeurde pas daarna, in het KPN-laboratorium in Leidschendam, waar begin dit jaar de eerste proefopstelling met twee switches succesvol werd getest. Er werd naar Leidschendam uitgeweken omdat het optisch lab aan de UT nog in opbouw is (daar kan alleen bij lage snelheden worden geëxperimenteerd). Rijnders en Van Bochove willen binnenkort samen met KPN Research gaan werken aan een verbeterd demonstratiemodel.
De bit-flip bestaat nu nog uit een aantal kastjes en glasvezelkabels op een lange tafel. Uiteindelijk moet hij geïntegreerd worden op een compacte optische chip van enkele vierkante centimeters groot. Dat is zeker haalbaar, aldus Rijnders en Van Bochove. Het is inmiddels mogelijk om tien meter optische golfgeleider op een chip onder te brengen, terwijl je in dit geval, bij 2,5 Gigabit, slechts lusjes van 8 centimeter nodig hebt. Bovendien: hoe hoger de bitsnelheid, hoe kleiner die lusjes kunnen worden: bij 10 Gigabit volstaat een lengte van 2 centimeter.
Prof.ir. Kees van Bochove en ir. Marcel Rijnders (TIOS, EL)
