Professor Ton Koonen vindt de ontbrekende PhD link

Op deze vroege maandagmiddag is het ongekende druk op de begane grond van het Atlasgebouw op de TU/e campus. Terwijl 2023 ten einde loopt zijn werknemers zijn druk bezig met de opbouw van het kerstdorp op de TU/e.

Tegenover me zit Ton Koonen - emeritus hoogleraar aan de faculteit Electrical Engineering - die net terug is uit de koffiehoek met een verse kop koffie. En hij staat klaar om mijn vragen over een intrigerend persoonlijk verhaal over zijn onderzoek te beantwoorden.

Voordat hij in 2021 met pensioen ging, was Koonen vicedecaan van de faculteit Electrical Engineering (2012 - 2020) en wetenschappelijk directeur van het Institute for Photonic Integration (2016 - 2019).

De zeer gerespecteerde onderzoeker is inmiddels al meer dan twee jaar met pensioen, maar er ontbrak nog één ding aan zijn indrukwekkende cv met talloze prijzen en erkenningen. En hoe verrassend het ook klinkt, het enige ding dat ontbrak was een doctorstitel. Om die te behalen, verdedigde Koonen op 12 december zijn proefschrift aan de faculteit Electrical Engineering.

De ontbrekende schakel

Toen we gingen zitten voor wat vast en zeker een gesprek vol inzichten wordt, had ik een voor de hand liggende vraag - "Waarom nu promoveren?".

“Dat is een logische vraag, en een goede vraag natuurlijk”, antwoordt Koonen. “In 1979 rondde ik mijn master elektrotechniek af aan de TU/e, in een tijd dat het niet makkelijk was om een baan te vinden. Interessant genoeg spoorde mijn toenmalige professor me aan om niet te promoveren en een baan te zoeken nu ik nog jong was, want ik had al drie aanbiedingen gekregen.”

Koonen ging werken aan communicatiesystemen met optische vezels bij Philips Telecommunications Industry in Huizen, een beslissing waar hij geen spijt van heeft. “Ik kwam terecht in het toegepaste onderzoek, dat is onderzoek dat verder gevorderd is dan basisonderzoek. Het bevindt zich in het stadium waarin beslissingen werden genomen over het maken van producten.”

Na zijn functie bij Philips verhuisde Koonen in 1987 naar de beroemde Bell Laboratories om te werken aan optische vezel systemen voor hybride toegangsnetwerken. In 1991 werd hij ook parttime hoogleraar aan de Universiteit Twente. In 2001 kreeg Koonen een verleidelijk aanbod om terug te keren naar de TU/e en Brabant, zijn thuisprovincie.

“Ik kreeg een positie aangeboden als hoogleraar elektrotechniek, ook al was ik niet gepromoveerd. Toen ik begon, was het laatste waar ik aan dacht het afronden van een PhD, aangezien een functie als hoogleraar altijd veel te druk en veeleisend is. Waar zou ik de tijd vandaan moeten halen om dat te doen?”

Na meer dan 40 promovendi te hebben begeleid in zijn tijd aan de TU/e, en na zijn pensionering in 2021, realiseerde Koonen zich dat hij de tijd had om de 'ontbrekende schakel' toe te voegen aan zijn academische ervaringen. “Mijn promovendi hadden iets meegemaakt dat ik tijdens mijn carrière had gemist. Dus waarom zou ik het niet doen? En omdat ik met pensioen was, had ik nu de tijd om het af te maken. En daarom besloot ik nu te promoveren.”

Toen ik begon, was het laatste waar ik aan dacht het afronden van een PhD, aangezien een functie als hoogleraar altijd veel te druk en veeleisend is.

Zit in de familie

Het op late leeftijd promoveren blijkt in de familie van Koonen te zitten.

Eerder dit jaar verdedigde Koonen’s zwager zijn proefschrift aan de Universiteit van Tilburg. “Zijn proefschrift ging niet over optische systemen of elektrotechniek - verre van dat! Zijn onderwerp zat ergens tussen theologie, maatschappij en economie in. En het was een proefschrift van 600 pagina's, zonder vergelijkingen of cijfers. Heel anders dan het mijne!”, zegt Koonen. “Maar, hij studeerde ook af op 69-jarige leeftijd, net als ik!”

Natuurlijk kreeg de gepensioneerde hoogleraar aanmoediging van zijn familie om zijn promotie af te ronden, maar Koonen kreeg ook belangrijke steun van de faculteit Electrical Engineering aan de TU/e.

“De huidige decaan Bart Smolders was erg enthousiast over mijn idee om te promoveren en stond 100% achter mijn voorstel. Het is nooit te laat', zei hij. Dat was geweldig om te horen”, herinnert Koonen zich.

Het ERC-effect

Waar werkte Koonen aan voor zijn proefschrift getiteld High-capacity optical wireless communication by directed narrow beams? De basis voor zijn op licht gebaseerd onderzoek komt van een belangrijke subsidie.

Ik deed mijn onderzoek in deeltijd. Ik had geen keus - ik leidde een onderzoeksgroep en ik was ook acht jaar lang vicedecaan van de faculteit.

“In 2012 kreeg ik een ERC (European Research Council) Advanced Investigator Grant ter waarde van 2,5 miljoen euro, de meest prestigieuze persoonlijke beurs van de ERC. Dankzij deze beurs kon ik werken aan baanbrekend onderzoek naar optische communicatie buiten optische vezeltechnologieën. Het gaf me veel creatieve vrijheid”, zegt Koonen.

In de loop van ongeveer 11 jaar werkten veel PhD-onderzoekers samen met Koonen aan het project. Maar wanneer vond Koonen de tijd om het werk voor zijn promotie uit te voeren?

“Ik deed mijn onderzoek in deeltijd. Ik had geen keus - ik leidde een onderzoeksgroep en ik was ook acht jaar lang vicedecaan van de faculteit,” merkt Koonen op. “Officieel kan ik zeggen dat ik het onderzoek in 2012 ben begonnen en in 2023 heb afgerond. Ik heb ongeveer 30 procent van mijn tijd aan het project besteed, zoals vereist door de ERC, wat betekent dat ik erin plaats van 11 jaar slechts 3,3 jaar over heb gedaan,” zegt de onderzoeker grinnikend.

In de loop van het project werkte Koonen nauw samen met meer dan een dozijn studenten. “Ik was als het ware de architect van het project, terwijl de onderzoekers zich richtten op het bouwen en evalueren. Als projectleider was ik er ook met advies voor het team op belangrijke momenten.”

Dat Koonen groeps- en projectleider was, betekent echter niet dat hij geen laboratoriumwerk heeft gedaan. “Ik heb veel tijd in het lab doorgebracht om de experimentele opstellingen te ontwerpen. En ook voor het ontwerpen van tools om bijvoorbeeld te berekenen hoe licht door verschillende materialen en structuren beweegt. Samen met de onderzoekers in de groep vond ik het leuk om te knutselen en deel uit te maken van het experimenteerproces.”

Een optisch tintje

Wat deed Koonen voor zijn promotieonderzoek? “De beste manier om te beschrijven wat ik heb gedaan, is dat ik heb gewerkt aan de ontwikkeling van de optische smaak van WiFi.” Koonen’s eigenaardige beschrijving van zijn onderzoek klinkt misschien onconventioneel, maar het is een slimme analogie.

WiFi (een afkorting van Wireless Fidelity) is een belangrijk onderdeel van moderne draadloze communicatie en maakt gebruik van radiogolven om gegevens uit te wisselen. Maar met onze toegenomen vraag naar draadloze verbindingen voor een groot aantal apparaten raakt het radiospectrum verstopt en wordt draadloze communicatie op basis van radiogolven belemmerd door verstoringen tussen gebruikers en apparaten. Volgens Koonen ligt de oplossing in licht.

“We gebruiken al licht in optische vezels voor communicatie, de volgende logische stap is om de vezels weg te doen en alleen licht te gebruiken,” zegt Koonen. “En optische lichtbundels hebben veel voordelen.”

Ten eerste is er bij optische stralen geen sprake van die eerdergenoemde verstoringen, omdat optische stralen, in tegenstelling tot WiFi-radiosignalen, niet door muren heen kunnen.

Ten tweede worden optische signaalverbindingen met apparaten niet beïnvloed door elektromagnetische storingen.

Ten derde kunnen smalle bundels worden gebruikt om de gegevens op een energiezuinige manier te verzenden en ze alleen daar te brengen waar en wanneer ze nodig zijn. En tot slot is het mogelijk om meer apparaten met een hoge dichtheid op een netwerk aan te sluiten omdat elke bundel slechts een kleine voetafdruk heeft.

De snelweg naar mogelijkheden

Degenen die zich zorgen maken over het vooruitzicht dat de kamers in hun huis worden omgetoverd tot discodanszalen met een reeks lichtstralen, hoeven zich geen zorgen te maken, want draadloze communicatie maakt gebruik van infrarode stralen die niet zichtbaar zijn voor het menselijk oog. “De golflengtes van het licht zijn dezelfde als die nu worden gebruikt in optische vezels, die groter zijn dan 1,4 micrometer en niet worden geregistreerd door het oog,” zegt Koonen.

De informatie raast naar onze deuren, maar kruipt daarna naar onze apparaten.

Hoeveel gegevens kan een infraroodstraal dan dragen? Heel veel, zo blijkt. Koonen: “Een straal wordt niet beperkt door golfgeleiderdispersie zoals in een vezel. Naarmate de bundels sterker worden, kunnen ze een enorm aantal bits per seconde verzenden. In ons lab hebben we bijvoorbeeld laten zien dat één infraroodstraal een gegevensoverdrachtssnelheid van 112 gigabit per seconde (Gb/s) kan hebben. Dat is enorm! En in ons systeem van 128 bundels komt dit neer op meer dan 10 terabit per seconde (Tb/s)!” 

Het vooruitzicht van zogenaamde optische draadloze communicatie (OWC) maakt Koonen enthousiast, vooral omdat we al veel van het harde werk doen om de optische signalen bij ons thuis te krijgen in de Fiber-to-the-Home netwerken (die massaal worden) uitgerold.

“In termen van datatransmissie zijn optische vezels als informatiesnelwegen naar de voordeur van onze huizen. Het probleem is echter dat we al die supersnelle gegevens nemen en ze vertragen wanneer we de lichtsignalen omzetten in elektrische signalen voor distributie in onze huizen met CAT-5-kabels voor computers, coaxkabels of WiFi. De informatie raast naar onze deuren, maar kruipt daarna naar onze apparaten.”

In de toekomst hoopt Koonen dat elk huis zal beschikken over indoor OWC-netwerken die optische stralen rechtstreeks naar apparaten kunnen sturen en het gebruik van geavanceerde technologieën in huis vergemakkelijken.

“Onze televisie-ervaringen zullen in de toekomst bijvoorbeeld veranderen. Dankzij de ongelofelijke belofte van optische stralen zouden we onze favoriete programma's kunnen bekijken als volumetrische displays (3D bewegende beelden) in plaats van op een 2D televisiescherm, en dat allemaal dankzij de datadragende mogelijkheden van optische stralen. We kunnen deze schermen overal in huis plaatsen omdat de breedbandverbinding draadloos is geworden. Natuurlijk hebben we ook de technologie voor volumetrische displays thuis nodig - die bestaat nog niet!”

Bovendien is de technologie veel duurzamer dan de huidige WiFi-technologieën.

“De optische bundels hebben ongeveer milliwatt nodig om informatie gericht te verzenden naar één apparaat, zoals een smartphone of laptop. Aan de andere kant kan WiFi watts vermogen vereisen, wat 1000 keer meer is dan de optische straal,” zegt Koonen.

En latency of gegevensvertragingen zouden ook tot het verleden behoren. “In vezels worden signalen vertraagd door een heleboel materiële redenen, zoals de brekingsindex van het glas van de vezel en de golfgeleiding van de vezel. Maar zonder het materiaal kan licht in de vrije ruimte reizen en niets beweegt sneller dan dat, zoals Einstein al stelde.”

De optische bundels hebben ongeveer milliwatt nodig om informatie gericht te verzenden naar één apparaat, zoals een smartphone of laptop.

Moeilijk geleerde lessen

Bij het afronden van zijn proefschrift heeft Koonen veel belangrijke lessen geleerd, waarvan hij sommige niet wist en niet volledig kon waarderen toen zijn vorige promovendi het promotieproces doorliepen.

Bij het schrijven van zijn proefschrift moest Koonen bijvoorbeeld een omslag ontwerpen. “Je moet de omslag ontwerpen met InDesign voordat je je proefschrift laat drukken. Het is alsof je een Ferrari neemt terwijl je gewoon boodschappen moet doen. Ik had InDesign nog nooit gebruikt en ik moest wat tijd besteden om de software onder de knie te krijgen met een beetje hulp van onlinevideo’s.”

En in tegenstelling tot de typische onderzoeker schreef Koonen zijn scriptie niet in LaTeX. “Ik besloot Microsoft Word te gebruiken, waar ik erg bekend mee ben, maar toen het document steeds groter werd, liep ik tegen allerlei problemen aan.”

Aan het einde van ons gesprek vraag ik Koonen naar zijn lijst met stellingen. Zijn eerste stelling verwijst naar de Wet van Cruijff (Johan Cruijff de voetballer dus) en zijn uitspraak dat ‘elk nadeel heeft zijn voordeel’, die ook van toepassing is op het optimaliseren van OWC-systemen, terwijl enkele van de andere stellingen zijn gebaseerd op zijn expertise in optische communicatie.

Maar het is de laatste stelling die me het meest interesseert: “Een leerling leert vaak meer als zijn leraar minder uitlegt.” Koonen is eerst student geweest, daarna leraar en nu weer student. Welk advies geeft hij de jonge onderzoekers van de toekomst?

“Zorg ervoor dat je met iets origineels komt. Wees zo innovatief en creatief mogelijk, probeer je eigen weg te vinden. En zorg ervoor dat je oplossingen voor bestaande problemen najaagt, en niet probeert een oplossing op maat te maken voor een nog te vinden probleem.”

En de toekomst

Als de technologie zich ontwikkelt zoals ze nu doet en de investeringen van de grote spelers in de industrie goed zijn, zouden we dit binnen een jaar of tien in onze huizen kunnen hebben.

Wat is Ton Koonen van plan in de toekomst te gaan doen, nu hij eindelijk gepromoveerd is?

“Nou, ik wil graag adviseren over hoe het in de toekomst verder moet met OWC-systemen. Daar zit een enorm potentieel in. Maar ik ben gepensioneerd en nu ik aan het eind van mijn zevende decennium kom, heb ik misschien meer tijd nodig om het rustiger aan te doen, te ontspannen en van mijn pensioen te genieten.”

Koonen woont in een boerderij buiten Eindhoven en heeft een deel van het boerenleven omarmd. “We hebben thuis drie kippen en twee ganzen en die houden ons bezig. Daarnaast ben ik ook meer artistiek gaan schilderen, en dan ook nog in verschillende stijlen.”

Tot slot, als we op het punt staan de bouwvakkers te verlaten om TU/e's winterdorp in het Atlasgebouw af te maken, vraag ik Koonen of hij denkt dat zijn boerderij in de toekomst optische stralen zal hebben die gegevens naar zijn apparaten sturen.

“Als de technologie zich ontwikkelt zoals ze nu doet en de investeringen van de grote spelers in de industrie goed zijn, zouden we dit binnen een jaar of tien in onze huizen kunnen hebben.”

En met dat antwoord eindigt ons gesprek. Meer dan vier decennia nadat hij afstudeerde met een master in elektrotechniek, promoveert emeritus-hoogleraar Ton Koonen aan de faculteit Electrical Engineering.

Het is geen geval van 'beter laat dan nooit', maar meer een geval van 'tijd gevonden, tijd gebruikt' voor de superdrukke en nu gepensioneerde Koonen.

Gefeliciteerd doctor! En geniet van de feestelijkheden!

Verdere informatie

Titel proefschrift: High-capacity optical wireless communication by directed narrow beams. Promotores: Sonia Heemstra en Eduward Tangdiongga.

Lees meer over het onderzoek van Ton Koonen naar optische draadloze communicatiesystemen in dit TU/e-artikel uit juni 2020.