De rol van geïntegreerde fotonica voor toekomstige 5G netwerken

Geïntegreerde fotonica als sleuteltechnologie

Integrated Photonics is een van de sleuteltechnologieën uit de Brainport-regio en het kan the next big thing worden. Ruben zegt: “Ik geloof echt dat het de moeite waard is om op allerlei manieren te investeren in deze volgende generatie chipindustrie. We moeten alles aan het spel toevoegen om het mogelijk te maken, aangezien geïntegreerde fotonica een van de meest veelbelovende industrieën in ontwikkeling is”. Volgens Giuseppe moet Europa hieraan meewerken: “Nederland, in het bijzonder het Brainport gebied, kan de ambitie hebben om de geïntegreerde fotonica vallei van de wereld te zijn. Krachten blijven bundelen met de rest van Europa is nodig om ervoor te zorgen dat de industrie voldoende ruimte heeft om concurrerend te blijven”.

PhotonDelta stimuleert de oprichting en versnelling van de groei van in Nederland gevestigde bedrijven en technologie instituten die actief zijn in de geïntegreerde fotonica industrie. Er wordt een nationaal strategisch plan opgesteld om de industrie voor geïntegreerde fotonica op te bouwen. Jorn noemt: “Waar ziet Nederland zichzelf over twintig/dertig jaar? We moeten nu handelen om daar te komen. We hebben al de drie universiteiten die het hoogste aantal artikelen over fotonica publiceren. We moeten dat transformeren naar de productie-industrie." Brainport Development ondersteunt PhotonDelta door de meest veelbelovende bedrijven te identificeren en prioriteren om samen te werken aan hun ecosysteem. Zoals Ruben opmerkt, bevat de Brainport regio veel kennis, maar de focus moet liggen op het creëren van een branche op een holistische manier.

Van ontwerp tot ontwikkeling en de daadwerkelijke fabricage, als iemand zegt 'geïntegreerde fotonica', moeten mensen meteen aan de Brainport-regio denken. Maar wat is geïntegreerde fotonica? En wat is het potentieel voor het gebruik ervan?

Geïntegreerde fotonica uitgelegd

Geïntegreerde fotonica stelt fotonische schakelingen in staat om licht te verwerken en door te geven, net zoals elektronische signalen worden verwerkt en verzonden door elektronische geïntegreerde schakelingen. Fotonen (lichtdeeltjes) bewegen zonder interferentie met de snelheid van het licht. Dit betekent dat informatie sneller en efficiënter kan worden verplaatst met minder stroomverbruik.

Dus waarom wordt fotonica al niet op grote schaal gebruikt? Volgens Giuseppe zijn de twee grootste uitdagingen het creëren van een solide basis van de supply chain en deze verbinden met de markt. De toeleveringsketen moet volwassen worden en kansen moeten concreter worden. Jorn vult aan dat de verwachte energiebesparing van het gebruik van geïntegreerde fotonica in datacenters in de praktijk niet zo hoog is als verwacht. Fotonica voegt echter niet alleen waarde toe vanuit het oogpunt van besparingen. Het heeft veel meer te bieden voor bijvoorbeeld 5G.

5G toepassingen

Giuseppe geeft aan dat de toegevoegde waarde voor 5G in drie categorieën kan worden ingedeeld. De eerste behoort tot de backbone van het 5G netwerk: door gebruik te maken van fotonica kan men meer data versturen met een lagere latency en met een hogere capaciteit. Dit is de oplossing waar EFFECT Photonics aan werkt. EFFECT Photonics levert afstembare optische transceivers die beide uiteinden van de glasvezel verbinden in een mobiel fronthaul DWDM-netwerk (Dense Wavelength Division Multiplexing). De DWDM-technologie multiplexeert verschillende optische signalen op een enkele optische vezel door laserlicht van verschillende golflengten te gebruiken, waardoor de capaciteit van het netwerk toeneemt. “EFFECT Photonics is anders dan andere transceiver bedrijven omdat we alle optische elementen in één chip kunnen stoppen. Het maakt de montage eenvoudiger omdat je alleen de chip hoeft te ontwerpen, te maken en op de vezel aan te sluiten”, zegt Joost. Deze System-on-Chip (SoC) technologie biedt kosteneffectieve modules met een complete oplossing op één chip.

Tegelijkertijd zou fotonica, iets verder weg in de toekomst, communicatie in de vrije ruimte mogelijk kunnen maken door licht de lucht in te sturen. Het is als een onzichtbare vezel. Een belangrijk aspect waarmee echter rekening moet worden gehouden, is de veiligheid voor het menselijk oog. De ontwikkelingen op dit gebied gaan echter snel. Stel je voor: Li-Fi (draadloze internetverbinding op basis van licht) waar je de straal naar je laptop kunt richten, zodat je alle beschikbare bandbreedte kunt gebruiken. Licht creëert niet alleen verbindingen, maar de straal kan ook worden verplaatst. Dat brengt ons bij de derde categorie.

Een optische phased array is waar de richting van lichtbundels kan worden gestuurd door de optische eigenschappen van een oppervlak dynamisch te regelen. Deze bundels kunnen een specifieke afnemer volgen die een zeer snelle toegang nodig heeft, met de mogelijkheid om de bandbreedte te besteden aan deze afnemen, dnk: bijvoorbeeld aan critical services.

Bijkomende voordelen van fotonica zijn dat je een hogere snelheid kunt bereiken en enorme hoeveelheden data kunt verwerken terwijl je energie (en dus kosten) bespaart. Zoals Giuseppe zegt: “Als je het slim kunt doen, kun je de fysica voor je laten werken en sneller gegevens kunnen verwerken en berekenen. Met de snelheid van het licht!”

EFFECT Photonics testen in de 5G Hub

Momenteel draaien EFFECT Photonics en de 5G Hub de eerste openbare 5G proef met optische transceivers op basis van een volledig geïntegreerde fotonische chip in Nederland. De SFP-transceivers van EFFECT Photonics zijn afstembare transceivers, die verschillen van de standaard apparaten met een vaste golflengte. Michiel legt uit: "De afstembare apparaten kunnen verschillende soorten kleuren‘ detecteren’, zodat je maar één transceiver op voorraad hoeft te hebben voor meerdere toepassingen”. Hoewel dit erg gunstig lijkt, is er ook een keerzijde, zoals Joost noemt: “Je moet de technicus uitleggen hoe het afstemmen van het apparaat werkt, en het goed aansluiten is erg foutgevoelig. Daarom hebben we wat extra intelligentie aan de transceiver toegevoegd waar deze het netwerk scant en zijn eigen kleur vindt. Dat is precies wat we gaan testen in het VodafoneZiggo-netwerk en bij de 5G Hub. Dit betekent dat je zowel de voordelen van fixed als van tuneable hebt."

De huidige tests werken met transceivers die 9 kanalen hebben en een doorvoersnelheid van 10 Gbps kunnen bereiken. “Hoewel de netwerksnelheid met de huidige proeven niet significant verbetert, is de basis van hun technologieplatform zeer geschikt om die prestatiecurve uit te breiden”, legt Joost uit. Het gebruik van fotonische integratie levert daarnaast een kostenvoordeel op en de veldproeven zijn een test voor de toekomst. Het gaat niet alleen om de huidige prestaties, maar het is heel belangrijk voor het netwerk van de toekomst. Met deze platformtechnologie kun je ongelooflijk complexe chips bouwen. Zoals Boudewijn opmerkt: "Hoe meer je bij elkaar zet, hoe revolutionairer het wordt."

De toekomst

Het toepassen van de transceiver in een 5G netwerk is erg interessant omdat er vraag is naar extra capaciteit aan de edge van het netwerk. Zonder extra kosten. Boudewijn stelt: “We brengen de high-end technologie die in het centrum van het netwerk wordt gebruikt, nu tegen betaalbare kosten naar de edge, waarbij we de architectuur ondersteunen en de technologie die nu aan de binnenkant van het netwerk wordt gebruikt, naar de buiten." Hun applicatie kan potentieel onbeperkte datatransmissiecapaciteit en bandbreedte bieden. Combineer dat met 5G dat is ontworpen om een ​​enorme toename van de verkeerscapaciteit en netwerkefficiëntie te ondersteunen, en zo kun je de potentiële voordelen van het netwerk voorstellen. De DWDM-technologie zorgt voor een verhoogde belasting van het glasvezelnetwerk. Dat is niet alleen op dit moment gunstig, maar stelt ons ook in staat om beter gebruik te maken van de glasvezelkabels die al ondergronds liggen, waardoor vervanging niet nodig is om ons netwerk te verbeteren. Bovendien kan een kortere latency naar het centrale punt worden bereikt en kan de eerste signaalverwerking op locatie worden uitgevoerd, wat ook tijdkritische toepassingen mogelijk maakt. De applicatie is niet beperkt tot het 5G-netwerk, maar ook FTTx- of Remote PHY-netwerken kunnen worden geüpgraded met DWDM.

EFFECT Photonics is een partner van de 5G Hub, waardoor ze veldproeven kunnen uitvoeren. Deze veldproeven zijn een waardevolle aanvulling op alle testen die EFFECT Photonics zelf uitvoert, om te zien hoe het echt werkt in het netwerk maar ook om meer te weten te komen over alle praktische zaken rondom het gebruik van hun applicatie. Van hoe de technici ermee werken, tot op welke locaties de transceivers daadwerkelijk worden gebruikt. Maar het gaat echter niet alleen om deze testen. Door samen te werken met de 5G Hub komen ze in contact met het ecosysteem rond de 5G Hub en haar netwerk. Het opent veel deuren voor samenwerkingen en samen kunnen we dit ecosysteem verder brengen. Zoals Boudewijn opmerkt: "We willen niet alleen meer weten over het 5G-netwerk, maar ook over de mogelijke toepassingen van 5G en hoe we waarde kunnen toevoegen aan deze toepassingen."

En nu?

Brainport Development en PhotonDelta bouwen aan een industrie. Als er meer vooruitgang wordt geboekt, worden er onderweg nieuwe toepassingen ontdekt. En Jorn vermeldt dat telecommunicatie klaar lijkt voor geïntegreerde fotonica. Met de steeds groeiende datastroom kan de behoefte aan altijd meer en snellere, geïntegreerde fotonica in de toekomst een grote rol spelen om in onze behoeften te voorzien. EFFECT Photonics is een van de belangrijkste spelers bij het vormgeven van deze toekomst van fotonica, door hun afstembare optische transceivers nu al in het netwerk toe te passen. Als je meer wilt weten, kijk dan op de website van EFFECT Photonics,PhotonDelta en Brainport Development.