achtergrond Deze week organiseerde de Vrije Universiteit Brussel een congres over de recente ontwikkelingen in fotonica: Spie Photonics Europe. Fotonica heeft alles te maken met de wisselwerking tussen fotonen en elektronen; licht wordt omgezet in elektriciteit en andersom. Eos Weekblad vroeg experts naar de toepassingen die volgens hen de meest impact hebben op ons leven, en stelde een topvijf samen.
De vijf invloedrijkste fotonica-toepassingen
5.LED-verlichting in ieder huis Naar alle waarschijnlijkheid vervangen LEDs (Light Emitting Diodes) binnen een paar jaar de traweh9rVEmrcA ditionele verlichting in de meeste huishoudens. Waar spaarlampen al ongeveer vijf keer langer meegaan dan gloeilampen en evenzoveel keer minder energie verbruiken, zijn LED-lampen nog zuiniger en duurzamer. Bovendien bevatten ze geen stoffen die schadelijk zijn voor het milieu, in tegenstelHoe werkt een LED? ling tot spaarlampen. Het probleem zit nu nog in de productiekosten, maar met verdere ontwikkeling van de technologie zullen die dalen. Een LED zet elektriciteit om in licht via een halfgeleider, die bestaat uit een negatief geladen laag, met vrije elektronen, en een positieve laag, met ‘gaten’. Een externe elektrische impuls zet een stroom in gang van de vrije elektronen naar de positief geladen gaten. De elektron-gat-paren die daarbij ontstaan, zenden fotonen uit.
achtergrond 4.OLED beeldschermen De LED-technologie vormt nu al de achtergrondverlichting voor bepaalde LCD-tv’s (Liquid Crystal Display). Een nieuwe generatie beeldschermen maakt gebruik van organische LEDs, ofwel OLEDs. Ze werken anders dan LED-LCD-tv’s, omdat ze geen LCD nodig hebben om het scherm van kleur te doen veranderen. Zeer dunne films van organische moleculen liggen boven elkaar gespannen tussen twee diodes. Elke film verzorgt een basiskleur. Een spanning over de diodes aan de randen van het scherm zorgt ervoor dat vanuit beide kanten respectievelijk positief en negatief geladen deeltjes over de films stro0BfQEllRRDE men. Laten we inzoomen op één plek, de blauwe film bijvoorbeeld. Deeltjes met een tegengestelde lading ontmoeten elkaar hier. Net als in een LED zenden ze bij die ontmoeting een foton uit, hier dus een blauwe. Op dezelfde plek op de andere films gebeurt dit ook, of juist OLED uitgelegd aan de hand niet, afhankelijk van de samengestelde kleur die het pixel hier van een geladen augurk. moet hebben. Door combinaties met verschillende films krijgt elke pixel de gewenste kleur. OLED beeldschermen verbruiken ongeveer twee keer zo weinig energie als LCD-tv’s. In de toekomst zal dat verbruik nog eens met ongeveer een factor tien omlaag gaan. Daarbij is zwart ook echt zwart, door het ontbreken van constante achtergrondverlichting. Geen achtergrondverlichting betekent meteen dat de televisies maar enkele millimeters dik zijn.
achtergrond 3.BluRay Om te genieten van de haarscherpe beeldkwaliteit van OLED televisies, moeten films eerst worden opgeslagen in HD. De oude fotonica zoals cd’s en dvd’s zijn daarvoor niet toereikend, laat staan de opslagmethodes die de markt domineerden voordat fotonica zijn intrede deed in de mobiele dataopslag. BluRay-schijven zijn met een capaciteit van 25 gigabyte wel in staat om de enorme HD beeldbestanden op te slaan. Cd, dvd en BluRay werken allemaal volgens hetzelfde principe. Een laI6Q3WObwB8M ser brandt in het oppervlak van de schijf kleine putjes, die staan voor de digitale informatie. Bij een dvd is de afstand tussen die putjes kleiner dan bij een cd, zodat er meer data past op hetzelfde oppervlak. In het geval van BluRay gaat deze miniaturisatie verder, met afstanden van 0.30 micrometer, tegenBlu-ray over 0.74 en 1.6 micrometer bij respectievelijk dvd en cd. BluRay dankt zijn naam aan de blauwe laser die de techniek gebruikt om data af te lezen en weg te schrijven, in plaats van de traditionele rode laser. Blauw licht heeft een kleinere golflengte, zodat het mogelijk is kleinere putjes op kortere afstanden van elkaar te branden. 2.Zonnecellen Een fotonica-toepassing die in de toekomst waarschijnlijk zeer goed van pas zal komen, is vanzelfsprekend de zonnecel. We kunnen nog even door met onze fossiele brandstoffen, maar op de lange termijn, en om de uitstoot van broeikasgassen in te perken, zullen we moeten overstappen op duurzame en schone energie. Zonnecellen zijn nu nog niet goedkoop genoeg om de traditio-
achtergrond nele methodes van energieopwekking te vervangen op grote schaal. Maar de technieken worden steeds efficiënter en betaalbaarder. 1gta2ICarDw Volgens het basisprincipe van zonnecellen valt een foton vanaf de zon op de cel en draagt daarbij zijn energie over aan een elektron in een halfgeleidend materiaal. Binnen zo’n halfgeleider gaan elektronen bewegen als ze voldoende energie hebben. Hoogenergetische fotonen van de zon creëren zo een Animatiefilmpje over zonnecelstroom in de cel. Door de onophoudelijke stortvloed van zonlicht is len. het in principe mogelijk om onze hele maatschappij te voorzien van duurzame energie met behulp van fotonica. Dit is dus potentieel een nummer 1 in deze hitlijst. 1.Internet Maar op dit moment is de meest invloedrijke toepassing van fotonica toch nog steeds het internet. Waar verbindingen op korte afstand nog mogelijk zijn via koperen kabels met elektrische signalen, zijn glasvezelkabels noodzakelijk voor de langeafstandsverbindingen tussen steden, landen en continenten. Zonder fotonica is internet dus praktisch onmogelijk en zou u deze digitale versie van Eos niet kunnen ontvangen. In tegenstelling tot koperen kabels kunnen draden van glasvezel zeer dun worden gemaakt – dunner dan een menselijk haar. Eén glasvezelkabel bestaat uit meer dan honderd dunne draadjes, die elk een kanaal vormen. Door die doorzichtige kanalen stuurt een computer pakketjes fotonen, die digitale informatie voorstellen. Deze vele kanalen zorgen voor voldoende bandbreedte in de internationale en intercontinentale kabels om de enorme hoeveelheden informatie de wereld over te sturen die op dit moment over het internet reizen. Daarnaast is de verzwakking in het signaal in glasvezel veel kleiner dan in koper op de lange afstand en is koper
achtergrond
bovendien een veel duurder materiaal, zodat kabels van duizenden kilometers onbetaalbaar zijn. Sinds in 1988 de eerste intercontinentale glasvezelkabel werd aangelegd – een 6.000 kilometer lange draad tussen Europa en de Verenigde StaGWkYo9SxtLo ten – heeft het glazen web zich uitgebreid tot meer dan een miljard kilometer aan kabels. Door de ontwikkelingen op het gebied van fotonica zijn glasvezelkabels nu ook op de korte afstand voordeliger, zodat de koperdraden tussen huizen en internetaanbieders Hoe werken glasvezelkabels? op sommige plekken worden vervangen door glasvezelkabels. Bij nieuwbouwprojecten worden deze optische vezels meestal van begin af aan in de grond gestopt. ■ EA Met dank aan hoogleraar fotonica Roel Baets van de universiteit Gent en professor Francis Berghmans van de Vrije Universiteit Brussel.
