Super GPS via glasvezelnetwerken

SUPER GP S

Super GPS via glasvezelnetwerken Jeroen Koelemeij • LaserLaB • Vrije Universiteit Amsterdam

Al eeuwenlang maken nauwkeurige klokken het mogelijk om te navigeren over deze aardbol. Tegenwoordig zijn het de atoomklokken in de tweeëndertig GPS satellieten die je via de navigatie car kit vertellen waar je je bevindt. Daarnaast zijn er veel andere technologieën in het dagelijks leven die niet meer zonder (GPS) atoomklokken kunnen. Ook de ontwikkelingen op het gebied van klokken zelf staan niet stil, en kortgeleden heeft zich een nieuwe generatie extreem nauwkeurige atoomklokken aangediend, de zogeheten optische klokken. Echter, GPS is onvoldoende nauwkeurig voor het verspreiden van optische kloksignalen met behoud van die extreem hoge nauwkeurigheid. Glasvezel biedt hier de oplossing – en tegelijkertijd een uitgelezen mogelijkheid tot een verbeterd atoomkloknetwerk, Super GPS.

In het verleden speelden Nederlanders een prominente rol in de ontwikkeling van klokken en global navigation. Zo was Gemma Frisius in de 16de eeuw de eerste die bedacht dat je met behulp van een nauwkeurige klok aan boord van een schip op de oceaan de lengtegraad moest kunnen bepalen. Een concept dat vervolgens twee eeuwen moest wachten op de voltooiing van het eerste werkende exemplaar door de Engelsman John Harrisson, nadat Christiaan Huygens al enkele vergeefse pogingen had ondernomen.

Jeroen Koelemeij promoveerde in 2004 op het onderwerp van laserkoeling van atomen aan de VU Amsterdam. Na dit onderzoek te hebben voortgezet op de École Normale Supérieure te Parijs verhuisde hij met een NWO/TALENT beurs naar het Amerikaanse NIST

Tegenwoordig worden de meest nauwkeurige atoomklokken gebouwd in een handvol toonaangevende laboratoria in de VS, Frankrijk, Groot-Brittannië en Duitsland. Zo was er in de jaren vijftig van de vorige eeuw de uitvinding van de 'traditionele' atoomklok door Louis Essen van het Britse National Physical Laboratory. Deze atoomklokken maken gebruik van het empirische gegeven dat alle atomen van een bepaald element identiek zijn, inclusief de trillingen die in atomen kunnen worden geïnduceerd met behulp van een stralingsveld van microgolven. Wanneer de microgolffrequentie zodanig wordt geregeld dat deze altijd gelijk is aan de atomaire trillingsfrequentie kan het microgolfveld zelf als basis voor een tijdstandaard dienen. Indertijd werd de atoomklok uiteraard als bijzonder beschouwd, het was namelijk de eerste klok die nauwkeuriger was dan de rotatie van de aarde om haar as, maar destijds zullen er weinig mensen zijn geweest die konden voorspellen dat de zojuist uitgevonden atoomklok uiteindelijk zou leiden tot revolutionaire technologieën als het Internet, satellietnavigatie en mobiele telecommunicatie. Het moet daarbij worden opgemerkt dat de kracht van deze technologieën vooral schuilt in het feit dat de gebruikte atoomklokken in een netwerk geschakeld zijn, waarin klokken kunnen worden vergeleken en gesynchroniseerd. Daarvan is GPS zelf misschien wel het meest uitgesproken voorbeeld, en GPS wordt dan ook algemeen gebruikt voor de verspreiding van de gecoördineerde universele atoomtijd, UTC. Maar ook in het netwerk voor elektronisch betaalverkeer en de beurshandel zijn is UTC belangrijk, gezien het hoge tempo waarmee beurskoersen zich ontwikkelen en de snelheid waarmee elektronische financiële transacties worden afgehandeld.

in Boulder, Colarado, om daar te werken aan de ontwikkeling van alumunium-ion optische klokken. In 2006 ontving hij een Alexander von Humboldt-beurs voor onderzoek aan de Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf naar lasergeïnduceerde vibraties in waterstofionen. Hierna werkte hij een jaar als onderzoeker op het Centraal Bureau voor de Statistiek in Heerlen, om vervolgens eind 2008 met een NWO/Veni beurs zijn huidige onderzoek aan de VU te starten. Daarin combineert hij optische kloktechnologie met waterstofionen om de protonelektron massaverhouding nauwkeurig te bepalen, en richt hij zich samen met SURFnet en KVI Groningen op het verspreiden van optische kloksignalen via bestaande glasvezelnetwerken. E-mail: [email protected]

De nieuwste optische klokken gebruiken geen microgolven maar laserbundels om atomen te laten trillen (zie kader 'Optische klokken'). De ontwikkeling van deze klokken heeft drie decennia geduurd en de beste optische klok, de aluminiumklok Fo t o n i c a M a g a z i n e

l

juni 2011

5

S U P E R G PS

Optische klokken Optische klokken gebruiken geen microgolven (frequentie

zogeheten frequentiekam-laser. Dat de ontwikkeling van sommige

ongeveer tien gigahertz) maar laserstraling (frequentie ongeveer

onderdelen van de aluminiumklok bepaald niet triviaal was

een miljoen gigahertz) als oscillator. Het voordeel van de veel

blijkt uit het feit dat de uitvinding van ionenval, het principe van

hogere trillingsfrequentie van licht is dat hiermee een seconde

laserkoelen van atomen en ionen, en de ontwikkeling van de

in kleinere periodes kan worden onderverdeeld. Dat betekent

frequentiekam-laser ieder tot een Nobelprijs hebben geleid

dat men per seconde meer periodes kan tellen, en daardoor

(respectievelijk in 1989, 1997 en 2005). De meest nauwkeurige NIST

een hogere statistische nauwkeurigheid behaald kan worden

aluminiumklok is nu zo nauwkeurig dat het 3,7 miljard jaar duurt

in de tijdsbepaling. Een optische klok is gebaseerd op de

voordat deze een seconde voor of achter loopt. Ter vergelijking,

frequentie van het trillende elektrische veld in een laserbundel,

de beste traditionele atoomklok gebaseerd op microgolfexcitatie

die via de lichtsnelheid direct gerelateerd is aan de golflengte

van cesiumatomen, opgesteld in een naastgelegen lab op NIST,

van het laserlicht. Op het Amerikaanse meetinstituut NIST zijn

zou op dat moment al ruim dertig seconden voor- of achterlopen.

lasers ontwikkeld die hun golflengtestabiliteit (en daarmee hun frequentiestabiliteit) ontlenen aan een speciale trilholte, bestaande uit twee spiegels waartussen het laserlicht heen en weer kaatst. De spiegels zijn van elkaar gescheiden door een speciale spacer, gemaakt van een glassoort met een ultralage thermische expansiecoëfficiënt. Het gevolg is dat de afstand tussen de spiegels in de loop van enkele seconden minder varieert dan een tiende van de straal van een atoomkern(!). Met een totale afstand tussen de spiegels van tien centimeter komt dit overeen met een relatieve lengtestabiliteit van minder dan 10 -15 per seconde. Verder kan het laserlicht in de trilholte alleen tussen de twee spiegels heen en weer blijven kaatsen indien de golflengte een geheel aantal malen in de afstand tussen de spiegels van de trilholte past (constructieve interferentie). De lasergolflengte kan zo geregeld worden dat dit inderdaad het geval is, waarmee een oscillator (het trillende veld van de laser) is verkregen met een frequentiestabiliteit die door geen enkel ander oscillerend systeem wordt geëvenaard. Echter, de afstand tussen de spiegels varieert (weliswaar langzaam maar) op een onvoorspelbare manier op een tijdschaal van enkele seconden. De trillingsfrequentie van de 'kloklaser' is dus wel heel stabiel, maar niet reproduceerbaar en daarmee onnauwkeurig. Om die reden wordt de laserfrequentie nog verder geregeld, zodanig dat deze altijd 'past' bij de trillingsfrequentie van een aluminium-ion. In de NIST optische klokken wordt een enkel(!)

6

aluminium-ion (een 'geladen atoom') uren lang opgesloten in

Figuur 1: Afbeelding van een vacuümkamer met daarin een ionenval voor het op-

een 'ionenval' van elektrische velden in vacuüm, en met behulp

sluiten en laserkoelen van ionen. Dergelijke ionenvallen vormen een vitaal onder-

van een laser tot het absolute nulpunt afgekoeld (zie figuur 1). De

deel van de meest nauwkeurige optische klokken, zoals de aluminiumklokken op

trillingsfrequentie van dit aluminiumion, dat nagenoeg perfect

NIST. De doorsnede van het venster is ongeveer zeven centimeter. Kleine afbeelding:

geïsoleerd is van zijn omgeving en letterlijk stil hangt in het

close-up CCD camera beeld van een viertal ionen, opgesloten in de ionenval en

luchtledige, is uitzonderlijk stabiel en onveranderlijk. De kloklaser

met behulp van een laser afgekoeld tot enkele duizendsten van een graad Celsius

is nu zowel stabiel als nauwkeurig, en de trillingsfrequentie van

boven het absolute nulpunt. De afstand tussen de ionen bedraagt ongeveer twintig

het veld kan worden bepaald met een speciaal type laser, de

micrometer (foto's gemaakt in het LaserLaB VU Amsterdam).

Fo t o n i c a M a g a z i n e

l

juni 2011

SUPER GP S

gebouwd op het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de VS, is inmiddels dertig keer nauwkeuriger dan de meest geavanceerde traditionele atoomklok, en wordt naar verwachting driehonderd keer zo nauwkeurig in de nabije toekomst(1). De aluminiumklok is zelfs zo nauwkeurig dat hij minieme effecten als gevolg van de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein kan waarnemen. Een test met twee aluminiumklokken op NIST toonde bijvoorbeeld aan dat toen een van de klokken dertig centimeter lager werd geplaatst, deze klok langzamer ging lopen ten opzichte van de andere klok(2). Dit is analoog aan het denkbeeldige scenario waarin een ruimtereiziger een zwart gat binnen gaat, waarop zijn tijd vervolgens voor een waarnemer buiten het zwarte gat stil lijkt komen te staan door de oneindig hoge gravitatiepotentiaal in het zwarte gat. De verwachting is dat toekomstige aluminiumklokken hoogteverschillen op aarde van minder dan een centimeter kunnen waarnemen. Dus behalve extreem nauwkeurige klokken kunnen optische klokken ook beschouwd worden als een nieuw type sensor, 'Einstein-sensoren'. Zoals gezegd schuilt de grote kracht van atoomkloktechnologie in netwerken van zulke klokken. Maar wat te doen als het bestaande state-of-the-art kloknetwerk, GPS, onvoldoende nauwkeurig is om optische klokken op afstand met elkaar te kunnen vergelijken en te synchroniseren? De oplossing van dit probleem is, in principe, gevonden in de glasvezeltechnologie. Immers, het 'tikkende' signaal van een optische klok is de fase van het elektrisch veld van een ultrastabiele laser, die door een glasvezel kan worden getransporteerd. Nu is het zo dat een glasvezel door thermische en akoestische effecten ruis toevoegt aan de fase van het elektrische veld van de laser, waardoor de kwaliteit van het kloksignaal degradeert. Dit probleem werd door Amerikaanse wetenschappers echter eenvoudig opgelost nadat ze zich realiseerden dat wanneer ze een deel van het laserlicht aan het uiteinde van de glasvezel terugstuurden, dat licht razendsnel dezelfde weg terug aflegde en daarbij nogmaals dezelfde hoeveelheid faseruis oppikte. Aan de ingang van de glasvezel kon men dus de fase van het teruggestuurde signaal vergelijken met die van het ingangssignaal, om vervolgens het verschil – gelijk aan twee keer de hoeveelheid toegevoegde faseruis – te delen door twee, en het ingangssignaal van tevoren corrigeren voor de faseruis(3). Hierdoor bleek het uitgangssignaal van de glasvezel inderdaad net zo stabiel te kunnen worden gemaakt als het ingangssignaal. Recent is het Franse onderzoekers gelukt om deze truc toe te passen op een glasvezel in een bestaand optisch versterkt Dense Wavelength Division Multiplexed (DWDM) systeem, en dat alles over een afstand van driehonderd kilometer en zonder het overige dataverkeer op diezelfde glasvezel te verstoren. De zo gecreëerde verbinding is maar liefst honderd keer

nauwkeuriger dan benodigd voor transport van optische kloksignalen(4). In het begin van dit jaar zijn ook in Nederland de eerste stappen gezet op dit gebied: via het glasvezelnetwerk van SURFnet is een optische verbinding tot stand gebracht die het LaserLaB van de Vrije Universiteit (VU) in Amsterdam verbindt met het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen. Het doel is om de ultrastabiele kloklaser van een optische klok die in het LaserLaB wordt opgebouwd te kunnen delen met onderzoekers op het KVI, en beide onderzoeksgroepen zullen daartoe eerst de nauwkeurigheid van de verbinding doormeten. Vanuit Groningen kan het optische kloksignaal mogelijk verder worden verspreid naar andere instituten waar veelvuldig gebruik wordt gemaakt van atoomkloksignalen zoals, bijvoorbeeld, de LOFAR radiotelescoop in Noord-Nederland, de radiotelescopen in Westerbork, of naar onderzoeksinstituten in Duitsland en Scandinavië. Alle bouwstenen voor een optisch kloknetwerk – zeg maar 'Super GPS' – via het bestaande glasvezelnet zijn dus sinds kort beschikbaar. Voor een dichtbevolkt land met een uitgebreid glasvezelnetwerk als Nederland biedt dit volop mogelijkheden voor nieuwe innovatieve technologieën. Zo valt te denken aan de mogelijkheid om zendmasten (bijvoorbeeld die voor mobiele telefonie) te synchroniseren aan de tijd van een enkele nauwkeurige optische klok. Die masten zouden dan GPS-achtige signalen kunnen uitzenden, maar met het voordeel dat deze signalen naar wens kunnen worden vormgegeven om plaats- en snelheidsbepaling nog nauwkeuriger te maken, precies zoals de naam Super GPS suggereert. Dit zou een belangrijk hulpmiddel kunnen vormen in het bestrijden van het fileprobleem met behulp van autonoom rijdende voertuigen (zie kader 'Super GPS – van filerijden naar filerelaxen?'). Een andere toegevoegde waarde van een Super GPS systeem via het glasvezelnet betreft ook de beveiliging van technologieën die van vitaal belang zijn voor onze economie en veiligheid. Inderdaad is onder meer vanuit het Amerikaanse leger gewaarschuwd voor de groeiende afhankelijkheid van GPS signalen(5). GPS is een kwetsbaar systeem: iedereen heeft immers via de atmosfeer toegang tot de signalen van GPS satellieten en het is niet ondenkbaar dat kwaadwillenden ooit zullen proberen deze signalen te verstoren of te manipuleren. Ook is er de vrees dat de introductie van vierde-generatie mobiele netwerken voor een toename van radiosignalen zal zorgen die de zwakke signalen van GPS satellieten zal overstemmen. Super GPS via glasvezel kan als versterking of back-up systeem voor GPS dienen en daarmee onze samenleving behoeden voor storingen of sabotage van navigatiesystemen, elektronisch data- en betaalverkeer en het mobiele telecommunicatienetwerk. Fo t o n i c a M a g a z i n e

l

juni 2011

7

S U P E R G PS

Behalve een versteviging van bestaande technologieën zou Super GPS ook een nieuwe 'enabling technology' betekenen, en daarmee tot meer innovatie leiden. Een voorbeeld is een netwerk van Einstein-sensoren – optische klokken die over tientallen of honderden kilometers afstand via glasvezel met elkaar communiceren en zodoende het hoogteverschil tussen klokken over grote afstanden met centimeter nauwkeurigheid kunnen bepalen. Met een dergelijk netwerk zouden bijvoorbeeld bodemdaling, zeespiegelstijging en verzakkende dijken continu kunnen worden gemonitord. Een dergelijk netwerk van Einstein-sensoren zou overigens aanmerkelijk minder ingewikkeld en kostbaar zijn dan men op het eerste gezicht zou verwachten: de delicate ultrastabiele kloklaser en de complexe frequentiekam-laser hoeven slechts bij een van de klokken, de 'master clock', te worden opgesteld. Het licht van de ultrastabiele laser kan dan via het glasvezelnet naar de verschillende Einstein-sensoren gestuurd, die ieder slechts uit een relatief eenvoudig en robuust apparaat met daarin een

aluminium-ion bestaan. Veel van bovenstaande thema’s zijn bij uitstek geschikt om in Nederland – met haar dichte glasvezelnetwerk en snelwegennet, sterke ICT sector en groeiende dreiging van de zee – te worden ontwikkeld en getest. Hiermee zou Nederland haar toonaangevende positie in de internationale wereld van geodesie en nauwkeurige navigatie- en kloktechnologie kunnen verstevigen. Daarnaast zullen er ongetwijfeld nog vele toepassingen gevonden worden in de categorie 'innovation beyond imagination'. De huidige ontwikkelingen op het gebied van optische klokken, in combinatie met ontwikkelingen op het vlak van optische communicatie en optische geïntegreerde technologie, vertonen namelijk sterke overeenkomsten met de ontwikkeling van de traditionele atoomklok en halfgeleidertechnologie in de jaren '50 van de vorige eeuw, toen zaken als het Internet, mobiele telecommunicatie en GPS ieders voorstellingsvermogen nog te boven gingen. u

Super GPS – van filerijden naar filerelaxen? Een Super GPS systeem, geïmplementeerd door middel van een

GPS achter het stuur van hun auto de krant zien lezen, ontbijten,

glasvezelnetwerk van zendmasten geplaatst langs door dagelijkse

of een dutje zien doen – het mogelijke nieuwe fenomeen van

files geplaagde stukken snelweg, kan het wellicht mogelijk maken

filerelaxen. En als dat niet

om voertuigen autonoom en volledig op navigatiesignalen te

overtuigend genoeg is,

laten rijden. Dit is iets wat (onder andere) Google's Robocar ook

dan zijn de besparingen

kan, maar waarvoor laatstgenoemde wel behalve een navigatie

bij

car kit twee camera’s, drie radarsystemen, een 'laser range finder'

en extra inkomsten uit

en extra inertiaalsensoren nodig heeft. Nu is het echter volgens

efficiënter

recente cijfers van het Centraal Bureau voor de Statistiek zo dat

goederen en personen

dagelijks een half miljoen Nederlanders in de file rijdt. Wanneer

dat misschien wel. Stel

al deze mensen in Robocars zouden rijden, zou de ether boven

je maar voor: autonome

de snelweg in een soep van radar- en lasersignalen veranderen. Daarnaast stijgt met dergelijke aantallen auto's, elk volgepropt met technische hulpmiddelen, de kans op een plotseling defect

8

Figuur 2: Super GPS autoweg: straks een nieuw verkeersbord in Nederland?

en

de

Rijksoverheid vervoer

van

geoptimaliseerde

verkeersstromen kunnen tot

een

reductie

van

aan een camera of sensor aanzienlijk, met ongelukken en extra

de CO2 uitstoot leiden doordat voertuigen niet langer onnodig

opstoppingen tot gevolg. Een Super GPS systeem kan helpen het

hoeven af te remmen en op te trekken tijdens het filerijden, en

aantal benodigde technische snufjes terug te brengen, en daarmee

doordat de algehele filedruk lager is dankzij de eliminatie van

het kostenplaatje en de betrouwbaarheid van het autonome rijden

ongelukken door menselijke fouten. In dat geval hoeft er dus

gunstig beïnvloeden. Bovendien biedt glasvezel langs de snelweg

minder geld aan subsidies voor schone auto's en windmolens te

de mogelijkheid om (geanonimiseerde) navigatiegegevens van

worden uitgegeven. En de aanleg van een Super GPS systeem

alle voertuigen in grote hoeveelheden door te sturen naar een

zou naar schatting weliswaar enkele honderden miljoenen euro's

supercomputer, die de verkeersstromen analyseert en vervolgens

kosten, maar daar tegenover staat dat de miljardenverslindende

via Super GPS optimaliseert. Voor sommigen is dit misschien een

aanleg van nieuwe snelwegen kan worden uitgesteld. Uiteraard

beklemmende gedachte, maar er is een gerede kans dat deze

zou een dergelijk systeem ook sterke economische impulsen

gedachte het aflegt tegen de jaloezie die zich meester maakt

kunnen geven aan de automotive industrie, en een nieuwe markt

van menselijke chauffeurs wanneer zij gebruikers van Super

aanboren voor fabrikanten van navigatiesystemen.

Fo t o n i c a M a g a z i n e

l

juni 2011

SUPER GP S

Referenties 1) C. W. Chou, D. B. Hume, J. C. J. Koelemeij, D. J. Wineland, and T. Rosenband, "Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks", Physical Review Letters 104, 070802 (2010). 2) C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, "Optical Clocks and Relativity", Science 329, 1630 (2010). 3) L.-S. Ma, P. Jungner, J. Ye, and J. L. Hall, "Delivering the same optical frequency at two places: accurate cancellation of phase noise introduced by an optical fiber or other time-varying path", Optics Letters 19, 1777 (1994). 4) O. Lopez, A. Haboucha, F. Kéfélian, H. Jiang, B. Chanteau, V. Roncin, C. Chardonnet, A. Amy-Klein, and G. Santarelli, "Cascaded multiplexed optical link on a telecommunication network for frequency dissemination", Optics Express 18, 16849 (2010). 5) "U.S. Air Force Chief Warns against Over-Reliance on GPS", Inside GNSS News, January 20, 2010.

AD-051109-NL_AD-051109-NL (Fotonica) 11/05/11 17:11 Page1

From Fiber Alignment to Test and Measurement Newport – The Motion Solutions You Need For more than 40 years the Newport name has been synonymous with precision positioning solutions. We have a long history of working with engineers and OEM customers providing motion solutions for fiber alignment and test and measurement. • Standard selection of compact stages • 10 nm MIM • High MTBF • Easy to use, assemble and control For leading and proven motion solutions for your designs and increased throughput needs, call on the first name in motion – Call Newport. Visit us at www.newport.com/precision or call us.

NS

E

Belgium Newport Spectra-Physics B.V. Phone: +32 (0)0800-11 257 Fax: +32 (0)0800-11 302 [email protected]

CI

ANTE ED

Compliant

AR

SP

RoHS

GU

VP-25XA-XYZ

F I C ATI O

Netherlands Newport Spectra-Physics B.V. Phone: +31 (0)30 659 21 11 Fax: +31 (0)30 659 21 20 [email protected]

For Motion, Think Newport © 2011 Newport Corporation.

AD-051109-NL

Fo t o n i c a M a g a z i n e

l

juni 2011

9