Nieuwe inzichten in fononica kunnen next‑gen communicatiesystemen herdefiniëren

Met het internet dat wereldwijd zijn vleugels heeft uitgespreid, voelen sommigen dat de dagen van de communicatieruzie voorbij zijn. Sommigen denken zelfs dat er niets meer te bereiken valt in de industrie van communicatiesystemen, oplossingen en diensten.

Het is waar dat als we de industrie alleen beoordelen op basis van de geschatte groeipercentage, deze minimaal lijkt. Maar dat komt alleen doordat de basismarktgrootte, waarop we de groei berekenen, fenomenaal hoog is. Volgens prognoses zal de wereldwijde markt voor communicatiediensten groeien van US$1.5 trillion to US$1.6 trillion tussen 2024 en 2028.

Groei in een markt van meerdere biljoenen dollars kan alleen worden bereikt door voortdurend baanbrekende innovaties in dit domein. Een dergelijke oplossing maakt gebruik van fononica om kleinere, krachtige communicatiesystemen te creëren. Hieronder bespreken we die innovatie, afkomstig van onderzoekers aan de University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences en Sandia National Laboratories.

Volgende revolutie in draadloze communicatie met gebruik van fononica

Voordat we de innovatie en de details bespreken, laten we eerst fononica begrijpen, de wetenschappelijke gemeenschap definieert fononica als “een opkomend vakgebied dat de aard van intrinsieke mechanische beweging in zowel conventionele als kunstmatig gestructureerde materialen wil verduidelijken en deze kennis wil gebruiken om de grenzen van fysieke respons op materiaal‑ of structureel/apparaatniveau of beide uit te breiden.”

Hoewel de kernwetenschappelijke definitie ingewikkeld kan klinken, maakt een analogie met fotonica het eenvoudiger te begrijpen. Fotonica maakt gebruik van fotonen om de ontwikkeling van optische technologie te stimuleren. Op dezelfde manier maakt fononica gebruik van fononen, fysieke deeltjes die mechanische trillingen door een materiaal overbrengen op bijna onhoorbare hoge frequenties.

In het onderzoek dat we bespreken, konden wetenschappers zeer gespecialiseerde halfgeleider‑ en piëzoelektrische materialen combineren om enorme niet‑lineaire interacties tussen fononen te produceren. Vervolgens zetten ze versterkers voor fononen – gemaakt van hetzelfde materiaal – in om efficiëntere, krachtigere en kleinere draadloze apparaten te creëren, waaronder smartphones en datatransmitters.

Volgens de senior‑auteur van de studie, Matt Eichenfield, die een gezamenlijke aanstelling heeft aan de Arizona College of Optical Sciences en Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico:

“De meeste mensen zouden waarschijnlijk verbaasd zijn te horen dat er ongeveer 30 filters in hun mobiele telefoon zitten waarvan de enige taak is om radiogolven om te zetten in geluidsgolven en weer terug.”

Nu, met de veel kleinere fononica‑materialen in actie, zou het mogelijk zijn de behoefte aan al die filters te verminderen, aangezien één fonon‑bundel de frequentie van een andere bundel kan wijzigen.

Deze prestatie sluit aan bij de visie van de onderzoekers om alle componenten die nodig zijn voor radiofrequentiesignaalverwerking te produceren uit akoestische‑golftechnologieën in plaats van transistor‑gebaseerde elektronica. Het resultaat zou alles op één enkele chip passen, compatibel met de manier waarop standaardmicroprocessoren worden vervaardigd.

Ter verduidelijking van de impact die hun innovatie kan hebben, zei Eichenfield:

“Nu kun je naar elk component in een diagram van een radiofrequentie‑front‑end‑processor wijzen en zeggen: ‘Ja, ik kan al deze componenten op één chip maken met akoestische golven. We zijn klaar om het hele systeem in het akoestische domein te realiseren.’”

Het verkrijgen van één enkele chip waarin alles is geïntegreerd, zou de communicatiesystemen en gadgets met een factor 100 kunnen verkleinen, schat Eichenfield.

Een vergelijkbaar onderzoek werd vorig jaar uitgevoerd door een team van onderzoekers aan de University of Michigan, waar ze een nieuw soort herconfigureerbare transistor ontwikkelden met een ferroelectrisch halfgeleider op nanoschaal.

Ferroelectric High Electron Mobility Transistor (FeHEMT) om communicatiesystemen op smartphones te verkleinen

Het belangrijkste kenmerk van FeHEMT dat het beter maakt dan de HEMT’s, is dat het een elektrische polarisatie kan behouden, vergelijkbaar met de elektrische versie van magnetisme. Door deze gedragsflexibiliteit toe te voegen aan de transistor, kunnen deze halfgeleiders schakelen tussen de positieve en negatieve uiteinden.

Aangezien FeHEMT herconfigureerbaar is, kan het functioneren als verschillende apparaten. Eén enkele versterker kan de functie van meerdere versterkers vervullen, elk klaar voor dynamische controle. Deze eigenschap stelt de onderzoekers in staat het circuit‑oppervlak van het apparaat te verkleinen en de kosten en het energieverbruik te verlagen.

De overgang van FeHEMT naar HEMT omvatte diepgaande wetenschappelijke verkenningen en talrijke proeven, tests en experimenten. Het halfgeleider‑materiaal bestond uit aluminium‑nitride met scandium. Het worden van het eerste nitride‑gebaseerde ferroelectrische halfgeleider maakte naadloze integratie met het volgende‑generatie‑halfgeleider, gallium‑nitride, mogelijk. De output kon snelheden bereiken tot 100‑maal die van silicium. Het was niet alleen supersnel, maar ook zeer efficiënt en kost laag.

Ping Wang, onderzoeksscientist in elektrotechniek en computer‑engineering en mede‑correspondent‑auteur van het onderzoek, zei:

“Door ferroelectriciteit toe te voegen aan een HEMT, kunnen we de schakeling scherper maken. Dit zou een veel lager energieverbruik mogelijk maken, naast een hoge versterking, waardoor de apparaten veel efficiënter worden.”

In een ander voorbeeld van het bouwen van precieze communicatie‑hardware met transformatief potentieel, kon een team van elektrotechniek‑ en computer‑engineering‑onderzoekers aan de University of Michigan de eerste millimeter‑schaal‑zender en -antenne bouwen die ‘Bluetooth Low Energy moeiteloos kan communiceren’.

Klik hier om te leren hoe micrometrische fotovoltaïsche cellen de weg kunnen vrijmaken voor apparaatminiaturisatie.

Het bouwen van de eerste millimeter‑schaal‑zender en -antenne

Prof. David Wentzloff leidde het team en het onderzoek dat uiteindelijk de eerste millimeter‑schaal‑apparaat opleverde dat nauwkeurig kon communiceren met Bluetooth Low Energy. De zender en de antenne verbruikten slechts 606 microwatt, of 0,6 milliwatt samen, tijdens de transmissie. Het systeem kon deze schaal bereiken door de versterker overbodig te maken via een unieke combinatie van oscillator en antenne.

Tijdens het uitleggen van het potentieel van de uitvinding, zei Prof. Wentzloff:

“Ik ben enthousiast over de toekomstige onderzoekslijnen die zullen worden geopend door de draadloze‑connectiviteitsbarrière weg te nemen!”

Deze prestatie zal nieuwe wegen openen in het IoT‑gebied en de adoptiecapaciteit aanzienlijk verbeteren.

De uitvinding was ook cruciaal voor de vlaggenschip‑innovatie van de universiteit, de Michigan Micro Mote (M3), ’s werelds eerste millimeter‑schaal‑computer. Met zo’n zender geïntegreerd in de M3 zal communicatie met een gewone smartphone efficiënter worden.

Bij het uitleggen van de bruikbaarheid zei Wentzloff:

“Deze radio voegt de eerste standaard‑conforme communicatie toe aan de M3‑stack. Dit stelt ons in staat M3‑apparaten sneller uit te rollen en gemakkelijker sensorgegevens naar de cloud te sturen door direct met een smartphone te verbinden.”

Dergelijk baanbrekend onderzoek zal de communicatiestandaarden voor de volgende generatie revolutioneren. Wereldwijde bedrijven investeren in onderzoek en middelen om communicatiesystemen klaar te maken voor de toekomst. Deze bedrijven kunnen enorm profiteren van deze studies en experimenten. In de onderstaande segmenten bespreken we een paar van die bedrijven.

#1. Nokia

Nokia biedt een uitgebreid portfolio van communicatiesystemen. Als het gaat om uitstekende ruimte‑optimalisatie, onderscheidt één productlijn zich: de AirScale Small Cells.

Nokia heeft het breedste small‑cell‑portfolio in de industrie, met radio‑apparaten geoptimaliseerd om mobiele netwerkoperators en ondernemingen in alle implementatiescenario’s te ondersteunen. Ook bekend als de AirScale Shikra‑radios, komen deze in de vorm van millimetergolf‑radios en pico‑radios voor binnenoplossingen.

De Shikra‑radios zijn klein en eenvoudig te installeren, zowel zelfstandig als in combinatie, waarbij hun small‑cell‑geoptimaliseerde baseband‑units de uitrol van netwerken versnellen. Door hun compacte aard zijn de mmWave‑radios inzetbaar op diverse locaties, waaronder dichtbevolkte stedelijke gebieden, winkelcentra, sportarena’s en andere grote openbare locaties waar extreme capaciteit vereist is.

De Pico‑radios zijn een binnenoplossing die inspeelt op verschillende zakelijke use‑cases, met ondersteuning voor meerdere radio‑toegangstechnologieën en flexibele netwerkconfiguraties. Nokia biedt ook all‑in‑one small‑cell‑oplossingen die geen aparte baseband‑unit vereisen en eenvoudige plug‑and‑play‑installatie en inzetflexibiliteit voor zowel binnen als buiten mogelijk maken.

Voor het fiscale jaar 2023, rapporteerde Nokia een jaarlijkse omzet van EUR 22,258 billion, een aanzienlijke daling ten opzichte van de EUR 24,91 billion van het voorgaande fiscale jaar. De operationele winst daalde ook naar EUR 2,375 billion van EUR 3,109 billion tussen FY 23 en FY 22.

#2. Motorola Solutions

Motorola is een pionier in het introduceren van futuristische, geavanceerde en toonaangevende communicatiesystemen. Eén apparaat dat bijzonder kan profiteren van dit onderzoek en de grenzen verder kan verleggen, is Motorola’s TLK 25 draagbare communicatiesysteem. Het weegt slechts 73 gram en meet 3,2 × 1,9 × 0,7 cm.

In de kern is de TLK 25 een draagbaar WAVE PTX‑apparaat dat verder gaat dan de push‑to‑talk‑mogelijkheden van een walkie‑talkie. Deze apparaten zijn compact, robuust en uitgerust met een intuïtieve spraakassistent. Het apparaat heeft Wi‑Fi‑connectiviteit en maakt ook gebruik van nationaal LTE wanneer Wi‑Fi niet beschikbaar is. De intuïtieve spraakassistent biedt hands‑free toegang tot communicatie, apparaatinstellingen, veiligheidsfuncties, statusinformatie, meldingen en waarschuwingen.

De TLK 25‑productlijn van Motorola blinkt uit in compactheid en beknoptheid van functies. Deze apparaten zouden enorm profiteren van onderzoek en transmissie‑oplossingen die zaken slanker en efficiënter maken.

In het vierde kwartaal van 2023, rapporteerde Motorola Solutions (MSI ) netto‑omzet van US$2,85 billion, terwijl de totale jaaromzet voor 2023 bijna US$10 billion bedroeg. De operationele winst voor 2023 steeg naar US$2,784 billion van US$2,368 billion in 2022.

De rol van communicatiesystemen in onze moderne wereld

Het zou moeilijk zijn voor de menselijke beschaving om te overleven zonder de modi en tools voor efficiënte communicatie die naar behoren functioneren. De communicatiesystemen van de volgende generatie zullen veel eigenschappen moeten ontwikkelen om klaar te zijn voor brede adoptie in de toekomst.

Deze apparaten moeten bijvoorbeeld bestand zijn tegen de zwaarste omstandigheden. Ze zullen efficiënt genoeg moeten zijn om elke innovatie die tot nu toe in dit domein is bereikt, met name in het gelijktijdig verwerken van spraak, video en datastromen, te accommoderen.

Terwijl ze al deze diensten leveren, mogen deze apparaten hun integriteit niet compromitteren. Met geavanceerde beveiligingssystemen die verantwoord gebouwde AI‑analyse benutten, is dit geen uitdaging meer.

Echter, het hebben van al deze eigenschappen en functies mag niet resulteren in een apparaat dat veel ruimte inneemt, snel opwarmt of duur is om te produceren.

Communicatiesystemen van de volgende generatie zullen evolueren met deze aspecten in gedachten. Nieuwe technologische paradigma’s zijn al verschenen die deze evolutie kunnen versnellen. Bijvoorbeeld, er wordt al veel gesproken over technologieën zoals Visible Light Communication (VLC)/Li‑Fi, waarbij datatransmissie via licht in plaats van radiogolven plaatsvindt met hoge snelheden door kleine aanpassingen in de intensiteit.

Deze oplossingen bieden zeer hoge snelheden, die de bandbreedte‑capaciteiten van conventionele communicatie overstijgen. Omdat ze buiten de traditionele modus vallen, kunnen verbeterde beveiligings‑ en betrouwbaarheidsnormen worden bereikt. Onderzoekers geloven dat dergelijke oplossingen perfect zouden zijn voor militaire toepassingen.

Naast hardware voor datatransmissie is er veel vooruitgang geboekt op het gebied van sensortechnologieën. Deze technologieën zouden de bestaande IoT‑ en automatiseringsinfrastructuur kunnen bijwerken.

Volgens gegevens gepresenteerd door ASSIA Inc. zou de toename in PC/telefoon‑uploadverkeer sinds begin maart 2024 in de Verenigde Staten alleen al tot 80 % kunnen oplopen. De wereld is veel virtueler geworden dan vóór de COVID‑19‑pandemie. Webcams, pc’s en laptops streamen continu video. Het leveren van gezondheidszorg, onderwijs en andere noodservices is veel virtueler geworden. Het aanpakken van deze situaties vereist veel meer ruimte‑geoptimaliseerde en efficiënte apparaten. Ze moeten ook 5G‑klaar zijn.

Organisaties en bedrijven moeten blijven investeren in middelen en onderzoek om communicatiesystemen van de volgende generatie efficiënter en kosteneffectiever te maken.

Klik hier om te leren hoe geavanceerde fotonica kan helpen een betere smartphone te bouwen.