Om de groei van het – mobiele – dataverkeer bij te houden, zijn draadloze signalen met een steeds kortere golflengte nodig. Promovendus Álvaro Morales Vicente onderzocht hoe je zogeheten millimetergolven kunt opwekken en uitzenden met behulp van fotonische chips.
De thuiswerker die zich – al dan niet noodgedwongen – onlangs nog in zijn of haar WiFi-netwerk heeft verdiept, weet dat de router signalen uitzendt op twee frequenties: 2,4 Gigahertz en 5 Gigahertz. Die laatste verbinding is sneller, maar reikt door de kortere radiogolven (zes centimeter in plaats van ruim twaalf) helaas ook minder ver – waardoor soms een extra WiFi-punt nodig is om het signaal te versterken.
Om iedereen binnen- en buitenshuis te voorzien van supersnel internet, om zelfrijdende auto’s met elkaar te laten communiceren, of voor draadloze bestandsoverdracht binnen datacenters, zijn ‘datarates’ van meerdere Gigabits per seconde nodig. Daarvoor zijn nog hogere frequenties vereist van tussen de 30 en 300 Gigahertz, overeenkomend met golflengtes van enkele millimeters.
Zweving
Dat brengt diverse uitdagingen met zich mee, vertelt promovendus Álvaro Morales Vicente. “Omdat korte golven minder ver dragen, is het nodig om de signalen heel gericht te sturen over korte afstand. Dat kan met meerdere antennes op een rij.” Daarnaast is het opwekken van dergelijke hoge radiofrequenties met traditionele elektronica sowieso al geen sinecure, benadrukt de Spanjaard. “Het voornaamste probleem is dat de bandbreedte van de modulatie die traditionele elektronica aankan, beperkt is; daardoor kun je de gewenste hoge bitrates niet halen.”
Een alternatief bestaat uit het gebruik van laserlicht om heel nauwkeurig de gewenste radiofrequenties op te wekken. De frequentie van laserlicht is veel hoger dan die van radiogolven, maar door twee laserbundels met een iets verschillende ‘kleur’ te combineren, ontstaat door interferentie een periodieke variatie in de lichtintensiteit, legt Morales Vicente uit. “Die verschilfrequentie kan met een lichtdetector worden omgezet naar een radiosignaal.” Dat fenomeen is te vergelijken met de hoorbare ‘zweving’ die ontstaat als je twee snaren van een net niet goed gestemde gitaar aanslaat.
Optische chip
De volgende essentiële stap is het ‘richten’ van de millimetergolven om het signaal van A naar B te brengen. “Ook dat werkt met interferentie. Door een rij antennes het signaal te laten uitzenden met elk een iets andere vertraging, wordt het radiosignaal in een bepaalde richting versterkt.” Morales Vicente wist dit effect in het lab bij diverse golflengtes te bewerkstelligen door de benodigde vertragingen in de signalen te creëren op een optische chip.
Het optisch opwekken van millimetergolven is energiezuinig en flexibel, maar staat nog wel in de kinderschoenen. “De grote uitdaging is om alle benodigde stappen te combineren in een handzaam apparaatje. Dus zowel het opwekken van een signaal met de juiste frequentie, het moduleren hiervan om er data in op te slaan, en het gericht uitzenden van de millimetergolven om die data over te brengen.”
De gedachte is dat dit uiteindelijk allemaal op een optische chip kan worden gedaan, een technologie waarin de TU/e vooroploopt. Morales Vicente: “Zelf heb ik de signalen nog opgewekt met aparte lasers, maar ik heb al wel een studie gemaakt van hoe je dit ook op een optische chip kunt realiseren.”