Het ontwikkelen van technologie voor het terahertzgebied van het elektromagnetische spectrum was decennialang vooral een erg dure hobby, en alleen binnen het bereik van ruimtewetenschappers en het leger. Maar dankzij verbeterde siliciumchiptechnologie kan Maria Alonso-delPino nu een heel universum aan meer wereldse toepassingen ontwikkelen, waarbij ze de nog openstaande fundamentele uitdagingen allesbehalve schuwt.
In ons dagelijks leven zijn we omringd met technologie die gebruik maakt van microgolven en zichtbaar licht. Denk aan wifi en je magnetron en, voor zichtbaar licht, aan je flatscreen tv en de camera in je mobieltje. Het terahertz-gebied ligt tussen microgolven en zichtbaar licht in en kent vele beperkingen waardoor het nog niet breed toegepast wordt. De stralingsbronnen zijn niet krachtig genoeg, de detectoren te ongevoelig en over het algemeen is de technologie te log. ‘Het heeft geleid tot wat nu het terahertz technologiegat heet,’ zegt Dr. Maria Alonso-delPino. ‘Het is pas sinds een paar jaar dat goedkope en op grote schaal produceerbare siliciumchiptechnologie nieuwe toepassingen voor terahertzstraling mogelijk maakt – zelfrijdende auto’s, medische beeldvorming, steeds snellere draadloze communicatie, alles wat voorheen niet mogelijk was vanwege te hoge kosten.’ Als universitair docent in de Terahertz Sensing-groep van de afdeling Microelectronics gebruikt ze haar kennis van electromagnetisme en systeemontwerp om het terahertz technologiegat te helpen opvullen. ‘De allervroegste ontwikkelingsstadia zijn voor mij het meest interessant,’ zegt ze. ‘Hiervoor werk ik nauw samen met onderzoekers van de elektronicagroep en andere disciplines. Samen ontwerpen we proof-of-concepts van oplossingen waar de hele maatschappij baat bij heeft.’
Een terahertz (1 THz) komt overeen met duizend miljard oscillaties per seconde. Straling in het terahertzgebied van het elektromagnetisch spectrum heeft frequenties tussen de 0,3 en 20 terahertz.
Andere toepassingen, dezelfde uitdagingen
In haar onderzoek richt Alonso-delPino zich op de hardwarekant van terahertztechnologie. Ze ontwerpt de hoogfrequente front-end stralingssystemen en hoe deze aan de overige elektronica kan worden gekoppeld. De uitdagingen waar ze nu tegenaan loopt, verschillen nauwelijks van toen ze nog state-of-the-art technologie voor ruimteonderzoek ontwierp bij het NASA Jet Propulsion Laboratory. ‘Alle terahertz-technologie moet een laag energieverbruik, een laag gewicht en een klein volume hebben,’ zegt ze. ‘Maar nu moet het ook nog goedkoop zijn en bij voorkeur nieuwe mogelijkheden hebben, zoals het vermogen om meerdere frequenties te verwerken en de uitgaande bundel te richten. Meerdere pixels is ook fijn.’
Terahertztechnologie is niet langer een erg dure hobby, alleen binnen het bereik van ruimtewetenschappers en het leger.
Beyond-5G
Draadloze communicatie is een van de onderzoeksgebieden waarop Alonso-delPino graag haar kennis en vaardigheden inzet om terahertztechnologie te laten schitteren. Vooral op drukke plekken, zoals een voetbalstadion of een festivalterrein, zal het veel gehypte 5G niet iedereen een goede, of zelfs maar enige, mobiele dekking kunnen geven. ‘Wij willen dit oplossen met wat we beyond-5G technologie noemen,’ zegt ze. ‘In het Fly’s Eye Project gebruiken we veel hogere frequenties. Hierdoor kunnen we veel grotere datasnelheden behalen, terwijl we toch ook de hoeveelheid uitgezonden gsm-straling flink kunnen verminderen.’ De Fly’s Eye is slechts een halve meter in doorsnede en komt bovenin het stadion te hangen. Het bestaat uit allemaal “ogen”, niet groter dan een paspoortfoto, waardoor het in zijn geheel op het facetoog van een vlieg lijkt. Elk oog bestaat uit een stel terahertz zenders, ontvangers en een lens. Met hun brede bundels voorzien alle ogen gezamenlijk het gehele stadium van dekking. ‘Ik ontwerp de antennesystemen voor elk van deze ogen,’ zegt Dr. Alonso-delPino. ‘We moeten het ook nog tot een geïntegreerd en schaalbaar systeem maken. Over een paar jaar willen we het concept demonstreren in de Aula van de TU Delft.’
Alle terahertztechnologie moet een laag energieverbruik, een laag gewicht en een klein volume hebben.
Onder je huid
Ook beeldvorming is een toepassingsgebied waar terahertzstraling een aanvulling of zelfs een verbetering kan zijn ten opzichte van de op dit moment beschikbare technologie. Voor wat betreft het gebruik van golven buiten het zichtbare deel van het elektromagnetisch spectrum zijn we als maatschappij al gewend aan röntgen- en infraroodstraling. Maar röntgenstralen zijn een vorm van ioniserende straling en daarmee mogelijk schadelijk voor de gezondheid. En in tegenstelling tot infraroodstraling kan terahertzstraling eenvoudig door bepaalde materialen heendringen, waaronder kleding en zelfs de eerste lagen van onze huid. Dit maakt het bij uitstek geschikt voor beveiligingstoepassingen en bepaalde medische diagnostiek. ‘Microgolven dringen nog makkelijker door materialen heen,’ zegt Alonso-delPino, ‘maar de resolutie is ontoerijkend omdat ze een veel grotere golflengte hebben.’ Simpel gezegd: een dokter zal maar moeilijk een huidkanker kunnen diagnosticeren als de pixels zo groot als een Tic Tac zijn. In het TiCam project werken Alonso-delPino en haar collega’s aan een hoge-resolutie camera voor terahertzstraling. Een van de grootste uitdagingen hierbij is om de camera zo gevoelig te maken dat hij de door een mens of object uitgezonden straling kan weergeven – en dat er dus geen noodzaak is voor belichting met een externe bron. Alonso-delPino: ‘Op basis van standaard siliciumchiptechnologie hebben we een enkele pixel ontwikkeld. Met een mannequin gaan we hiermee de eerste beelden vergaren. Uiteindelijk willen we dat de camera duizend pixels heeft zodat we razendsnel thermische beelden van, en door, objecten kunnen maken.’
Met de veel hogere datasnelheden van beyond-5G technologie kan straks iedereen in een voetbalstadium de wedstrijd in Full-HD livestreamen.
Nog even geduld
Zodra nieuwe technologie in ons dagelijks leven is doorgedrongen, is het eenvoudig om te vergeten dat de ontwikkeling daarvan wel wat tijd vergde. Maar digitale camera’s waren er niet van de ene op de andere dag en het duurde twintig jaar om een magnetron te ontwikkelen die betaalbaar was en klein genoeg om in een keuken te passen. Hetzelfde geldt voor terahertztechnologie. Na proof-of-concept door Alonso-delPino en haar collega’s moet de industrie deze ideeën oppaken en verder uitwerken tot volwaardige producten. Het is onmogelijk om te voorspellen hoe lang dit zal duren. Maar als je op enig moment in de toekomst overal en altijd Full-HD-video kan livestreamen, dan weet je dat het terahertz-technologiegat is gedicht.
