Fotonica is een veelbelovende technologie in bijna alle sectoren, voor nu en in de toekomst. Veel wetenschappers onderzoeken de mogelijkheden van deze lichttechnologie. Maar wat hebben bedrijven in verschillende industrieën eraan? Hoe gaan zij fotonica toepassen? Dat is waar de Photonics Applications Week om draait. Een week vol workshops, congressen, tentoonstellingen, lezingen en debatten om professionals uit verschillende vakgebieden te laten zien wat fotonica in hun sector kan bijdragen.
De Photonics Applications Week gaat 30 september van start. Innovation Origins gaat er in een korte serie alvast wat dieper op in. Vandaag een gesprek met Jean-Paul Linnartz, die namens Signify en TU Eindhoven het project ELIoT leidt. Wat licht in plaats van radiogolven kan doen voor het Internet-of-things, dat moet worden uitgevonden in dit Europese project, dat draait om een door Signify ontwikkelde technologie die gebruik maakt van LiFi, een draadloos communicatienetwerk van de volgende generatie, dat informatie over lichtstralen stuurt in plaats van via radiogolven, zoals bij WiFi het geval is.
Jean-Paul Linnartz is deeltijd hoogleraar in de Signal Processing Systems group van de TU/e. Hij richt zich op algoritmes voor intelligente verlichtingssystemen en draadloze communicatienetwerken. Linnartz heeft meer dan 60 verleende octrooien op zijn naam staan. Zijn publicaties over elektronische watermerken, anonieme biometrie, radiocommunicatie en optische draadloze communicatie zijn meer dan 10.000 keer geciteerd. Zijn onderzoeksideeën worden benut in drie succesvolle ondernemingen. Bij Signify (Philips Lighting) leidt hij de research voor de LiFi-Venture.
“Onze bedoeling is dat ELIoT het internet-der-dingen gaat verbinden”, zegt Linnartz. “En wel via licht, omdat we ervan overtuigd zijn dat dat beter en veiliger gaat dan de gangbare methoden die gebruik maken van radiogolven.” LiFi in plaats van WiFi dus. Een van de spannende aspecten daarbij is security, zegt Linnartz direct. “Ik ben huiverig om te garanderen dat LiFi ‘secure’ is alleen omdat het binnen één kamer blijft. Ook al lees je wel verhalen dat LiFi secure is zodra je de deur achter je dicht doet, kun je daar niet op vertrouwen. Op een moment dat je dit gaat verkopen moet je simpelweg je cryptografie minstens zo goed voor elkaar hebben als dat op andere systemen het geval is, maar dan helpt het opeens wel dat je daar nog een laag overheen hebt. Licht blijft mooi binnen de muren van de kamer, ook al omdat onze ramen tegenwoordig heel isolerend zijn voor infrarood licht. En daarmee heb je die extra security-laag te pakken.”
Security
Het is niet voor niets dat Linnartz zoveel nadruk op het belang van security legt. “Kijk naar bedrijven als BMW, Audi, Airbus of andere vertegenwoordigers van ‘industrie 4.0‘, daar draaien lopende-bandsystemen en autonome robots en straks ook drones voor de aanlevering van onderdelen. Als iemand nou langs zo’n fabriek rijdt en het wifi-systeem gaat verstoren, dan ligt de hele tent plat, voor minstens 48 uur. Dat is een gigantische kostenpost.” Wat Linnartz maar wil zeggen: dat zou wel eens een security-eis kunnen opleveren die enorm in het voordeel van LiFi werkt.
Signify is heel goed gepositioneerd in het toekomstige communicatiesysteem, zegt Linnartz. “Gebruikers zullen steeds hogere bitrates willen hebben. De enige manier om dat te doen is door hele kleine cellen te maken: met je radiosignaal precies dat deel afdekken dat uitkomt bij de eindgebruiker. Als je binnen zit, doe je dat het liefst via het plafond, buiten zijn lantaarnpalen geschikt. Dat kan dan via licht, maar in principe ook via 5G. Op beide manieren maak je bundels die alle energie op de juiste plek laat uitkomen.”
Marconi
Om toe te lichten waarom we tegenwoordig meer inzetten op dichtheid dan op zo groot mogelijk bereik (coverage), neemt Linnartz ons mee naar 1904. “Zo leg ik het ook altijd aan mijn studenten uit. Guglielmo Marconi, de uitvinder van de draadloze telegraaf, was trots omdat hij erin slaagde om radiosignalen 5000 kilometer ver de atlantische oceaan over te sturen. Jaren daarna kregen we de middengolf. Radio Luxemburg en Radio Moskou wisten heel Europa te bereiken, honderden kilometers bereik. Met FM werd het al veel gerichter, ook regionale radioprogramma’s werden mogelijk. Die afstanden gingen dus van 5000 kilometer naar 500 kilometer naar 50 kilometer. De doorbraak van de jaren ’80, voor het gebruik van autoradio’s was het besluit om de antennes niet meer op de hoogste berg maar juist in het dal te zetten, omdat precies daar je gebruikers zitten. Je gaat dus van coverage – afstanden – naar dichtheid. Cellen werden celletjes, in de jaren ’90 voor het eerst als WiFi, waarbij je je eigen huis kunt dekken, zo’n 30 meter dus. En bluetooth gaat van mijn broekzak naar mijn oortje, dus dat is nog een slag kleiner. En als je nog dichter wilt, is de bundel nog gerichter te maken precies de stap die je nodig hebt. Dan zie je dat het makkelijker wordt om met lichtstralen te richten dan het is om met radiogolven een phased array te creëren.”
Een van de redenen hiervoor is ook het energieverbruik. “Radiogolfantennes vreten energie. Ja, 5G is een stuk zuiniger, tenminste als je kijkt naar de uitgestraalde energie per bit die bij de gebruiker terechtkomt. Maar je verstookt enorm veel power in je signaalverwerking, dus al voordat het tot een radiosignaal komt. En dan blijkt dat een kleine fotonische node in het plafond of in een lantaarnpaal eigenlijk heel simpel kan zijn, niet al die processors nodig heeft, en daarmee veel energiezuiniger is.”
Infrarood
Lichtsignalen, werken die eigenlijk ook in het donker? Linnartz gniffelt even om de vraag. Dan serieus: “Ja, we denken zelfs dat infrarood beter werkt, bijvoorbeeld omdat het nog minder energie kost. De hele electronica van communicatie werkt beter bij infrarood. We denken nog steeds dat het plafond en de lamp de beste locatie hebben om het te doen. Buiten is de lantaarnpaal ideaal, maar daar veroorzaakt het zonlicht een zekere ruis; die schiet ontzettend veel fotonen rond en dan moet je dus een heel zwak signaaltje tussen die enorme lichtstralen zien op te vissen, dus ook daar kun je veel beter met infrarood gaan werken.”
In de jaren ’90 is er ook al een poging gedaan om infrarood communicatie in de markt te zetten, maar die heeft het toen afgelegd tegenover wifi, stelt Linnartz vast. “Waarom nu dan wel, zou je je terecht kunnen afvragen. Nou, daarvoor moeten we even bij Johan Cruijff aankloppen, met zijn ‘elk nadeel heeft zijn voordeel’. Destijds wilden we vooral coverage. Met één wifikastje had je een heel gebouw voorzien, dat was een voordeel. Maar op een gegeven moment, als het drukker en drukker wordt, wordt het juist een voordeel om het signaal niet door muren te laten gaan. Dan kun je de verbinding die je in de ene kamer hebt ook weer in de kamer ernaast creëren. Je kunt je functionaliteit in feite beter hergebruiken. Vroeger ging het om bits per seconde, nu gaat het om bits per seconde per vierkante meter.” Buiten de stedelijke omgeving houden de klassieke radiosignalen trouwens de voorkeur. “Daar heb je dat dichtheidsprobleem niet. Op die plekken is de radiotechniek dus nog steeds een betere optie.”
Bitrate omhoog
Het moet de komende jaren allemaal nog gerichter. “Vervolgstappen die ik voor onze projecten zie hebben te maken met de wens om de bitrate verder omhoog te schroeven. De sleutel om dat te bereiken zit hem in bundeling: hoe gerichter je signaal bij de gebruiker aankomt, des te beter het is. Een van de grootste uitdagingen van een LiFi-bron in het plafond is dat je je fotonen over de hele kamer verspreidt en dat je dus per bit redelijk veel fotonen moet uitstralen. Als je die bundel beter kunt gaan richten, dan wordt het makkelijker om de bitrates omhoog te brengen. Daarmee kom je dichter in de buurt van de fotonische integratie, de laserbeams, maar dan moet je wel de technologie hebben om die laserbeam precies op de goede plek te krijgen. Voor een regio als Brainport die claimt de plek van de fotonica te zijn, kan precies dit een hele mooie uitdaging zijn. Wij hebben nu al stappen gezet met een LiFi luminaire die met een veel meer gefocuste bundel op dit moment een verbinding van 250 Mbps aanbiedt – de snelste commercieel beschikbare LiFi verbinding van de wereld.”
[learn_more caption=”ELIoT tijdens de Photonics Application Week”] Tijdens de Photonics Application Week zullen verschillende partners binnen ELIoT acte de présence geven. Voor Jean-Paul Linnartz is het weer een uitgelezen kans om de onderlinge banden te versterken. “Door de internationale discussies hoor je veel, word je getriggerd. De link met de Duitse industrie is belangrijk, maar dit is voor Signify ook een extra manier om aansluiting te vinden bij de universiteiten van Eindhoven en Oxford. Je wilt altijd iets verder kijken dan de technologie die helemaal vanuit je eigen achtergrond komt. Dit zijn de momenten waarop dat kan. Als je alleen gedreven zou worden door datgene wat je als producten volgend jaar in de markt wilt zetten, dan kan het wel eens zo zijn dat je een slag mist.”[/learn_more]
