Wifi met lichtstralen: 100 keer sneller, en nooit overbelast

Traag Wifi is een bron van ergernis die bijna iedereen kent. De draadloze apparaten in huis consumeren steeds meer data, en het worden er steeds meer, waardoor het Wifi-netwerk verstopt raakt. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben hier een verrassende oplossing voor bedacht: een draadloos netwerk gebaseerd op ongevaarlijke infraroodstralen. De capaciteit is niet alleen enorm (meer dan 40Gbit/s), ze hoeft ook nog eens niet gedeeld te worden, doordat elk apparaat zijn eigen lichtstraal krijgt. TU/e-onderzoeker Joanne Oh promoveerde afgelopen week cum laude op dit onderwerp.

Het in Eindhoven bedachte systeem is eenvoudig en in principe goedkoop van opzet. De draadloze data komt van enkele centrale ‘lichtantennes’, bijvoorbeeld aan het plafond. Deze antennes kunnen lichtstralen, die worden aangevoerd via een glasvezel, heel nauwkeurig richten. Dit zonder bewegende delen, en dus onderhoudsvrij en zonder stroomverbruik: in de antennes zitten roosters die lichtstralen van verschillende golflengtes onder verschillende hoeken uitstralen (‘passive diffraction gratings’). Door de lichtfrequentie te veranderen, verandert dus de richting van de lichtstraal. Door gebruik te maken van een veilige frequentie infraroodlicht, dat niet het kwetsbare netvlies in je oog bereikt, is het een veilige techniek.

Als je als gebruiker rondwandelt, en je smartphone of tablet raakt buiten beeld van een lichtantenne, dan neemt een andere lichtantenne het over. Het netwerk houdt de exacte plaats van alle draadloze apparaten bij met behulp van het radiosignaal dat ze terug sturen. Extra apparaten toevoegen is eenvoudig: ze krijgen vanuit dezelfde lichtantennes andere lichtgolflengtes toegewezen, waardoor de apparaten capaciteit niet hoeven te delen. Bovendien is er zo geen storing meer door het wifi van de buren.

Het huidige Wifi maakt gebruik van radiosignalen, met een frequentie van 2,5 of 5 gigahertz. Het in Eindhoven bedachte systeem gebruikt infraroodlicht met frequenties die meer dan duizend keer hoger zijn, zo’n 200 terahertz. Daardoor is de datacapaciteit van lichtstralen veel hoger. Joanne Oh behaalde zelfs een snelheid van 42,8 Gbit/s over 2,5 meter afstand. Ter vergelijking: de gemiddelde verbindingssnelheid in Nederland is tweeduizend keer minder (17,6 Mbit/s). Wie een absoluut top-wifisysteem heeft, haalt nog altijd niet meer dan 300 Mbit/s in totaal, ruim honderd keer minder dan de snelheid behaald in het Eindhovense onderzoek per lichtstraal. Het Eindhovense systeem gebruikt tot nu toe de lichtsignalen nog alleen voor het downloaden. Voor uploaden worden nog de radiosignalen gebruikt, omdat er voor uploaden doorgaans veel minder capaciteit nodig is.

Het werk van promovendus Oh is onderdeel van het bredere project BROWSE, geleid door hoogleraar breedbandtechnologie Ton Koonen, met financiële steun van de European Research Council. Joanne Oh werkte vooral aan de technologie van datatransmissie via richtbare infrarood-lichtstralen. Andere promovendi werken nog aan de techniek om nauwkeurig bij te houden waar alle draadloze apparaten zijn, en aan het benodigde centrale glasvezelnetwerk achter de lichtantennes. Koonen verwacht dat het nog zeker 5 jaar duurt voordat de nieuwe technologie in de winkels ligt. Hij denkt dat apparaten met hoge dataconsumptie, zoals videobeeldschermen, laptops of tablets, als eerste zullen worden aangesloten op dit nieuwe soort draadloze net.

De groep van Koonen is niet de enige die werkt aan ‘indoor optical wireless networks’. Wereldwijd wordt op enige andere universiteiten en onderzoeksinstituten onder meer onderzocht of het mogelijk is om data te verzenden via de LED kamerverlichting. Het nadeel daarvan is echter dat de bandbreedte niet hoog is, en weer gedeeld moet worden door de aangesloten apparaten. Enkele andere groepen onderzoeken netwerkconcepten waarin infrarood lichtstralen worden gericht met beweegbare spiegels. Het nadeel daarvan is echter dat dit actieve controle van de spiegels en stroom vergt, en dat elke spiegel maar één lichtsignaal tegelijk kan behandelen. De roosters die Koonen en Oh gebruiken, kunnen vele lichtstralen en dus apparaten tegelijk aan.

Het werk van Oh en Koonen valt binnen het Institute for Photonic Integration van de TU/e. Dit is een van de wereldwijd toonaangevende onderzoekcentra op gebied van ‘photonics’; het gebruik van licht (fotonen) in plaats van elektriciteit (elektronen) om data te verzenden.