“Voor de zesde generatie draadloze technologie moet je denken aan terabits per seconde”

Hoge data rates zijn voor alle toekomstvisies belangrijk, legt Heemstra de Groot uit. “We zitten nu op downloadsnelheden van zo’n driehonderd megabit per seconde, en dat moet voor 5G naar tien gigabit per seconde, en bij de zesde generatie moet je zelfs denken aan terabits per seconde.” Alleen dan komen spectaculaire toepassingen binnen handbereik, zoals virtuele teleportatie - waarbij je met een virtual-realityhelm op, en wellicht speciale handschoenen aan, voor je gevoel live aanwezig kunt zijn bij evenementen die aan de andere kant van de wereld plaatsvinden.

Bovendien is het voor veel toepassingen essentieel dat er zo weinig mogelijk vertraging optreedt bij het doorstralen van al die digitale data. Als je een seconde op je videostream moet wachten, of als die een fractie van een seconde hapert, is er nog geen man over boord. Dat is echter anders bij communicatie tussen autonome voertuigen op de snelweg, waar diezelfde fractie van een seconde het verschil kan betekenen tussen leven en dood. “Het is voor dergelijke massieve real-time machine-to-machine communicatie daarom heel belangrijk om die vertraging, de zogeheten latency, zo laag mogelijk te houden”, zegt Heemstra de Groot. “Dat is een grote uitdaging.”

Daarnaast is ook de betrouwbaarheid van de dataoverdracht essentieel, legt de CWTe-directeur uit. “Denk aan tele-operaties, waarbij een arts via internet een operatierobot aanstuurt. Dan wil je niet dat er onderweg datapakketjes verdwijnen.” Voor dergelijke toepassingen is volgens haar een betrouwbaarheid van 10^-9 vereist. “Dat betekent dat niet meer dan één in de miljard datapakketjes mag wegraken.”

Binnen het CWTe wordt gewerkt aan diverse nieuwe technieken om de draadloze datacapaciteit te verhogen. Dat kan bijvoorbeeld door gebruik te maken van hogere frequenties dan de band tussen 1 en 6 gigahertz die momenteel voor draadloze communicatie is gereserveerd. Hoe hoger namelijk de frequentie van elektromagnetische straling, hoe meer informatie je erin kwijt kunt. Aan de TU/e wordt daarom gewerkt aan systemen die werken met frequenties van 60 gigahertz of meer. Zulke hoge frequenties leveren flinke uitdagingen op voor de elektronica en antennes die deze signalen moet produceren, verzenden, ontvangen en verwerken. “Daarnaast is het bereik van hogere frequenties kleiner”, legt Heemstra de Groot uit. “Straling boven de 6 gigahertz komt bijvoorbeeld niet door de wand van dit kantoor.”

Dat laatste probleem kan onder meer worden ondervangen door de straling heel gericht in bundels uit te zenden langs gezichtslijnen. De antennes die je nodig hebt bij dergelijke hoge frequenties zijn heel klein- slechts enkele millimeters lang - waardoor je hele rijen van deze antennes op een enkel apparaatje kunt plaatsen. Door deze antennes op de juiste manier te laten samenwerken, is het mogelijk om heel smalle, nauwkeurig gerichte stralingsbundels te maken, waarmee informatie veel efficiënter kan worden overgestraald dan met bijvoorbeeld de huidige wifi. Met meerdere bundels kun je ook meerdere gebruikers tegelijk bedienen. Massive MIMO heet die techniek, waarbij MIMO staat voor multiple-input en multiple-output.

“Sensoren moeten zelf leren hoe ze zo zuinig mogelijk functioneren”

In een andere onderzoekslijn binnen het CWTe draait het om alsmaar kleinere, met elkaar communicerende chips en sensoren: de basiscomponenten van het Internet of Things. Daarbij moet je denken aan een koelkast die ‘weet’ wanneer de melk op is, of over datum dreigt te raken. Of aan sensoren op je lichaam die je bloeddruk, hartslag en temperatuur in de gaten houden en alarm slaan als zich hierin verontrustende patronen voordoen.

Eén van de uitdagingen waar het CWTe zich op richt, is het inbouwen van intelligentie in netwerken van sensoren. “De sensoren moeten leren hoe ze zo zuinig mogelijk kunnen functioneren. Hoe vaak moeten ze data verzenden, en waarheen precies en via welk kanaal?” En dat allemaal in zogeheten gedistribueerde netwerken, zonder centrale aansturing. In Flux wordt hiermee nu een proef gedaan, waarvoor verspreid over het gebouw vele honderden kleine devices en sensoren zijn aangebracht.

Een ander mooi voorbeeld is de minuscule temperatuursensor die toenmalig TU/e-promovendus (en huidig universitair docent) Hao Gao vorig jaar ontwikkelde. Deze sensor, slechts twee vierkante millimeter groot, haalt zijn energie uit de straling van het draadloze netwerk waarvan hij deel uitmaakt - hij heeft dus geen batterijen nodig. Dat is geen overbodige luxe, want als alle vijftig miljard devices die naar verwachting in 2020 deel uitmaken van het Internet of Things op batterijen zouden werken, dan zou een aanzienlijk deel van de mensheid zich onledig kunnen houden met het voortdurend vervangen van deze batterijen.

“We zijn heel trots op die sensor”, zegt Heemstra de Groot. “Het was nog maar een prototype, waarvan we nu met name het bereik nog moeten vergroten, maar dergelijke kleine, goedkope sensoren zou je bijvoorbeeld zelfs in coatings kunnen stoppen. Ze kunnen op termijn heel belangrijk worden voor allerlei logistieke en medische toepassingen.”

Terahertz-systemen

Het jongste programma binnen het CWTe draait om terahertz-straling. Dit deel van het elektromagnetisch spectrum kent allerlei spannende toepassingen, bijvoorbeeld in medische beeldvormingstechnieken of in scanners die door kleding en plastic heen kunnen kijken. In Amerika zijn onderzoekers er zelfs al in geslaagd om met terahertz-straling pagina’s te lezen van een gesloten boek. Het lastige is echter dat deze straling, met grofweg een golflengte tussen een millimeter en honderd micrometer, precies valt in het gat tussen de microgolfstraling en infrarood licht.

“Terahertz-frequenties zijn eigenlijk te hoog voor elektronica en te laag voor bestaande optische technieken”, legt programmaleider Marion Matters uit. Het is al wel mogelijk om terahertz-straling op te wekken met lasers, en die straling wordt ook al gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek, maar de benodigde systemen zijn nog zo groot als een koelkast, vertelt ze. “Wij willen daarom proberen vanuit de elektronica naar steeds hogere frequenties te gaan, om zo handzame terahertz-bronnen en detectors te maken. De frequenties die we aankunnen met standaard chiptechnologie worden namelijk steeds hoger, en daarnaast gebruiken we zogeheten niet-lineaire componenten om tot nog hogere frequenties te komen.”

Terahertz-technologie brengt elektronica en optica bij elkaar

In het CWTe-lab in Flux experimenteren ze al met frequenties tot ongeveer een halve terahertz. Matters laat de opstelling zien met spiegels en lenzen, componenten die ook worden gebruikt om laserlicht in goede banen te leiden - alleen bestaan deze lenzen uit ondoorzichtig teflon. “De gelijkenis met optica is inderdaad groot”, zegt ze. “Dat vind ik ook zo mooi aan dit vakgebied; dat het elektronica en optica bij elkaar brengt. Zelf ben ik afgestudeerd in de laserfysica, dus voor mij zijn lenzen en spiegels bekend terrein.”

Verderop in het lab staat de - veel grotere - opstelling van de groep van fysicus Jaime Gómez Rivas, die zijn tijd verdeelt tussen FOM-instituut DIFFER en de TU/e. “Hij maakt terahertz-straling met femtoseconde-lasers. Dat zijn opstelling hier ons lab staat, is voor ons ideaal. Het maakt het heel gemakkelijk om samen te werken.”