Grafeen is een materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstof die gerangschikt is in een hexagonaal patroon.

Bliksemsnel internet stapje dichter dankzij grafeen en lasers

Grafeen, een materiaal met verrassende eigenschappen, blijkt nu ook verschillende lasers te kunnen "vermengen". Daardoor kunnen ze bits en bytes met elkaar delen, wat maakt dat op termijn de overdracht van informatie via optische netwerken duizenden keer sneller zal kunnen gaan. Dat is ontdekt door een internationaal team, waarvan ook een Belgische fysicus deel uitmaakt. 

Snel internet komt momenteel de huiskamer binnen langs optische netwerken, lasersignalen die door glasvezelkabels gestuurd worden. Die laserstralen kunnen data alleen maar doorgeven door te flikkeren. 

Dat glasvezelinternet kan echter nog duizenden keer sneller dan het nu werkt, en een manier om dat te bewerkstelligen is nu ontdekt door een team van Britse en Italiaanse onderzoekers, en de Vlaming Ben Van Duppen, fysicus aan de Universiteit Antwerpen en de winnaar van de Vlaamse PhD Cup 2017 met een studie over grafeen. 

Grafeen

De sleutel tot dat snellere internet ligt in grafeen. Grafeen is een erg eenvoudig materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, die gerangschikt liggen in een hexagonaal, zeshoekig, patroon. Het werd pas in 2004 ontdekt maar viel al snel op door zijn unieke eigenschappen. Zo is het 200 keer sterker dan staal maar tegelijk erg licht, het geleidt zeer goed elektriciteit, en het oefent een sterke invloed uit op laserlicht. 

En dat laatste is belangrijk: het voordeel van een optisch netwerk is dat de overdracht van data door lichtdeeltjes of fotonen veel sneller gaat dan door elektronen in een klassiek netwerk, maar het nadeel is dat fotonen zich veel moeilijker laten manipuleren of sturen dan elektronen. 

En daar hebben de onderzoekers nu een belangrijke stap gezet: ze knipten een stukje grafeen in extreem smalle strookjes van zo'n 50 nanometer - een duizendste van een menselijk haar -, en schenen daar twee verschillende lasers op, een uit het bijna infrarode spectrum, en een uit het midden van het infrarode spectrum. Normaal schijnen laserstralen gewoon door elkaar heen, en "negeren" ze elkaar, maar hier zagen de onderzoekers dat de snippers grafeen maakten dat de laserbundels zich gingen vermengen. Daardoor kunnen bits en bytes van de ene laserbundel op de andere worden overgedragen, en kan de informatieoverdracht sneller gaan. 

De onderzoekers schenen twee laserstralen  (rood en blauw) op de dunne strookjes grafeen (illustratie: Dmytro Kundys, Ben Van Duppen et al. in Nano Letters).

Volkomen nieuw fenomeen

"We hebben een volkomen nieuw fenomeen ontdekt dat fiberinternet veel sneller kan maken", zei Ben Van Duppen aan Data News.  "We hadden al ontdekt dat grafeen, het dunste lateriaal ter wereld, zeer goed is in het spelen met laserlicht. Dus probeerden we ook de lasers die in internetkabels gebruikt worden, te manipuleren. Dankzij grafeen kunnen we dat laserlicht aansturen met een snelheid die tienduizend keer hoger ligt dan mogelijk is met traditionale technieken."

"Twee laserstralen schijnen normaal gezien gewoon door elkaar heen", zo zei  Van Duppen. "Maar daar hebben we nu verandering in gebracht. Door de lasers op de smalle strookjes grafeen te richten, werden ze zich plots bewust van elkaar en werden ze vermengd. Doordat de lasers zich vermengen, kan je bits en bytes van de ene laserbundel op de andere overdragen. Hierdoor kan je internetsignalen maken die duizenden keren meer informatie bevatten dan mogelijk is met de elektrische technieken die men vandaag gebruikt voor fiberinternet." 

Voiorlopig gaat het nog maar om een zeer vroeg prototype van een "grafeenoptische component", maar Van Duppen maakt zich sterk dat de resultaten over enkele jaren toegepast zullen kunnen worden op bestaande glasvezellijnen. 

De snellere overdracht van informatie is vooral nodig voor het opkomende "internet der dingen" (IoT, Internet of Things), waarbij steeds meer toestellen online komen. Verwacht wordt dat in 2020 er al zo'n 20 miljard slimme apparaten met het internet verbonden zullen zijn.  

De studie van het National Graphene Institute uit Manchester, Van Duppen en onderzoekers uit Pisa en Genua is verschenen in "Nano Letters"