- Onderzoek
- 28/02/2018
Het nieuwe goud van Brainport
Het wordt door sommigen gezien als het nieuwe goud voor de regio Eindhoven. Want nergens ter wereld is men zover met de ontwikkeling van de optische chip, die de komende jaren de wereld moet gaan veranderen. Sneller en energiezuiniger internetverkeer, innovatieve gezondheidssensoren en veiligere luchtvaart; slechts enkele voorbeelden waar geïntegreerde fotonica de komende jaren het verschil gaat maken. De TU/e is koploper op het gebied van fotonisch onderzoek en staat aan de basis van diverse succesvolle start-ups die de optische chip naar de markt brengen.
Een chip die met licht - fotonen - als informatiedrager werkt in plaats van de standaard elektronen. Deze fotonische chips met een grootte van een rijstkorrel worden in steeds meer apparaten ingebouwd en gaan volgens Ton Backx, directeur van het Institute for Photonic Integration, voor een nieuwe revolutie zorgen.
Voor de afhandeling van het dataverkeer is in 2016 wereldwijd ruim vijf procent van de totale elektrische energie verbruikt. En dat verbruik groeit exponentieel. We willen steeds meer informatie uitwisselen met onze mobiele telefoons en ook apparaten zijn steeds vaker verbonden met het internet. En dan hebben we het nog niet eens over de datastroom die nodig is voor communicatie tussen apparaten onderling. De elektronische snelweg slibt dicht en om dat te voorkomen, moeten we overstappen op nieuwe technologieën. En daarvoor hoeven we niet ver te zoeken, vertelt hoogleraar Ton Backx enthousiast. Hij is directeur van het in 2016 opgerichte Institute of Photonic Integration (IPI), dat kennis op het gebied van geïntegreerde fotonica bundelt.
"We lopen nu tegen twee problemen aan in het huidige dataverkeer. Enerzijds heeft de micro-elektronica die nu gebruikt wordt zijn limieten bereikt als je kijkt naar de efficiëntie van dataverwerking. En aan de andere kant moet het energieverbruik drastisch omlaag als we op deze manier verder willen. En we willen alleen maar meer. We werken hier daarom hard om de geïntegreerde fotonische chip op de markt te zetten.
Communicatie met licht heeft een aantal grote voordelen. Fotonen zijn massaloos waardoor ze relatief erg snel bewegen. En ze hebben geen lading waardoor er geen energieverlies naar de omgeving plaatsvindt. Met het gebruik van fotonen kunnen veel processen veel energie-efficiënter worden. Daarnaast kunnen optische componenten op een veel kleinere chip, wat ze eenvoudiger maakt om in te bouwen en wat de optische systemen veel ongevoeliger maakt voor omgevingsinvloeden. Op de hoogste transportniveaus vindt het merendeel van de communicatie al plaats via licht door glasvezelkabels. Dat gaan we nu doortrekken naar alle lagen."
De overheid ziet het belang, maar het moet niet bij woorden blijven
Dat Eindhoven de koppositie inneemt op het gebied van geïntegreerde fotonica kent een lange geschiedenis waarbij - hoe kan het anders - Philips een belangrijke rol speelt. Al midden jaren zestig van de vorige eeuw ontwikkelde Philips optical-fibertechnologie voor het telecomverkeer en gebruikte de lichtgebaseerde technologie later ook voor het opslaan van data op cd, dvd en blue-ray.
Hoewel Philips altijd een voortrekkersrol vervulde, werd de TU/e er al in een vroeg stadium bij betrokken. Dat resulteerde uiteindelijk in een stevige kennispositie, van waaruit diverse start-ups en onderzoeksinstituten IPI en Photon Delta konden uitgroeien. Een ecosysteem, zoals Photon Delta, waarin ook bedrijven kunnen participeren, is essentieel, legt Backx uit. ‘We zitten nu op een kritisch moment. De infrastructuur moet in hoog tempo uitbreiden zodat we de volgende stap kunnen zetten die nodig is om ontwikkelingen naar schaalbare marktmodellen om te zetten. De overheid ziet het belang van fotonica, maar het moet niet alleen bij woorden blijven. Er zijn stevige investeringen nodig voor zowel toegepast als fundamenteel onderzoek."
Volgens Backx liggen er veel kennis en toepassingsgerichte ontwikkelingen op de plank die snel de markt op kunnen. ‘In eerste instantie voltrekt zich de overstap naar de optische chips in de data- en telecomwereld. Er zijn al transceivers in gebruik die in grote mate op optische technologie gebaseerd zijn. En ook het nieuwe mobiele 5G-netwerk wordt straks mogelijk gemaakt door geïntegreerde fotonica.
Deze technologie gaat de wereld veranderen en zal veel van de huidige maatschappelijke uitdagingen helpen oplossen. Precisierobots op afstand, medische sensoren, optische varianten van ultrasound met uiterste precisie waardoor we de kleinste details in 3D-weefselstructuren kunnen onderscheiden, zelfs naar stofwisseling in cellen zelf kunnen kijken.
Autonome auto’s, smart city-ontwikkelingen, de sensortechniek die nodig is om grote steden leefbaar te houden, zoals beheersing van water- en luchtkwaliteit. Het wordt allemaal nu ontwikkeld, op een fotonica-fundament. Een volgende generatie basistechnologie waar we nog heel veel op kunnen gaan bouwen. En hoe schitterend is het dat wij in Eindhoven deze kar mogen trekken."
Fotonica @ TU/e
Geïntegreerde fotonica moet dé oplossing zijn voor het almaar groeiende dataverkeer. De TU/e loopt voorop in het onderzoek hiernaar.
De Eindhovense topformule
“Op het gebied van de fotonica staat ons een revolutie te wachten zoals we dat in de jaren zeventig ook hebben gezien bij de opkomst van de micro-elektronica”, zo verzekert Meint Smit, hoogleraar Photonic Integration.
"Met de fotonische integratietechnologie die we in de afgelopen decennia in Nederland hebben ontwikkeld, staan we uitstekend gepositioneerd voor die revolutie. Nederland investeert al sinds de jaren tachtig in onderzoek aan fotonische materialen, componenten en systemen. Een ijzersterke combinatie. Hierbinnen hebben we een gestandaardiseerd integratieproces ontwikkeld, waarbij je optische bouwstenen kunt samenvoegen tot allerlei functionele circuits. Sinds 2007 hebben we dit integratieproces opengesteld voor andere universiteiten. Door meerdere ontwerpen te combineren op één wafer konden we de ontwikkelingskosten van chips sterk verminderen, waardoor ze ook voor kleinere bedrijven betaalbaar werden."
"Sinds 2013 wordt dit proces gecommercialiseerd door Smart Photonics, een start-up die uit onze groep is ontstaan. Daarbinnen worden chips ontwikkeld door een aantal bedrijven, waaronder twee andere start-ups van onze groep: Effect Photonics en Bright Photonics. Zelf werken we momenteel aan het ontwikkelen van nieuwe processen met nog betere eigenschappen. En kijken we ook naar de integratie hiervan met elektrische circuits, zodat we in de toekomst een chip kunnen maken waar álles inzit. Samenwerking met andere vakgroepen is essentieel. Want die chip moet wel aangestuurd worden en in een mooi doosje terechtkomen, wil je er wat mee kunnen."
Van materiaal naar productie op grote schaal
“Vijftien jaar geleden had je net je eerste mobiele telefoon en als je nu ziet wat je met je smartphone allemaal kan... In eerste instantie zijn deze vernieuwingen allemaal elektronica-gedreven. Maar nu de uitdagingen vooral op het gebied van datatransport liggen, moeten we een andere weg inslaan en maken we steeds meer gebruik van fotonica om de groeiende datastroom aan te kunnen”, zegt Erwin Kessels, hoogleraar Plasma & Materials Processing en wetenschappelijk directeur van NanoLab@TU/e.
“Met ons onderzoek naar materialen en de ontwikkeling van nieuwe materiaalsystemen staan we aan de innovatieve basis. Zo werken we aan nanolasers die in optische chips gebruikt zullen worden: van welke materialen kunnen we deze lasers het best maken? Kunnen we bijvoorbeeld nanodraden gebruiken? En, zo ja, hoe kunnen we ze dan het best plaatsen zodat we het minste verlies hebben - en met welk materiaal moeten we ze omhullen?”
“Ook kijken we naar het gebruik van zogenaamde tweedimensionale materialen als grafeen, die bijzondere elektronische en optische eigenschappen hebben. In de technologieontwikkeling proberen we al in een vroege fase het bedrijfsleven te betrekken en ze te laten investeren in nieuwe productieapparatuur. Want het is mooi dat je in een lab een device ontwikkelt, maar je hebt uiteindelijk apparatuur nodig om op grote schaal te kunnen produceren. We proberen hier de hele keten op te zetten, van materiaal tot productiefaciliteit.”
5G internet: snel en safe
“Voor de ondersteuning van de nieuwe generatie mobiele netwerken, 5G, gebruiken we draadloze systemen met fotonica-lasers. Een nieuwe generatie antennes met gerichte bundelsturing, ontvangers, transmitters, signaalverwerkers; het is een heel systeem dat deels gaat draaien met fotonische chips en waarin ook de connectie tussen fotonica en elektronica essentieel is”.
Aan het woord is Idelfonso Tafur Monroy, directeur van het System Photonic Integration Technology Center (PITC) aan de TU/e: “Voor goede systemen heb je goede componenten en chips nodig, en daarvoor weer goede materialen. Met hightech faciliteiten, excellente kennis en samenwerking met bedrijven bevinden we ons in een unieke driehoek. Dat zien we ook terug in de Flagship Telecom 5G, waarin we met het bedrijfsleven hoogwaardige technologie ontwikkelen. En fijn voor de student: toekomstige proeftuinen met 5G op de campus."
"Door de ontwikkeling van supersnel internet groeit de datastroom exponentieel. Zeker als we straks - mede dankzij fotonica - dagelijks allerlei gezondheidssensoren gaan gebruiken en autonoom gaan rijden. Die data moet dan wel veilig getransporteerd worden. We werken daarom ook aan kwantumcryptografie waarbij verstrengelde fotonen voor onkraakbare communicatie zorgen. Nieuwe technologie moet snel, maar vooral ook safe zijn.”
Samenwerken in unieke cleanroom
“Met ons NanoLab@TU/e hebben we een unieke faciliteit in handen waar universiteit en bedrijfsleven samenkomen. De combinatie van een state-of-the-art machinepark, met hightech lithografie-apparatuur zoals een ASML DUV-scanner, en de aanwezigheid van een vaste staf met veel expertise draagt zeker bij aan onze koploperpositie op het gebied van indium fosfide (InP) fotonica.”
Huub Ambrosius, managing director NanoLab@TU/e: “Het is een techniek die nog in de kinderschoenen staat, maar waar binnen afzienbare tijd legio toepassingen voor zijn. Niet alleen in de telecom- en datacenterwereld, maar vooral ook huis- tuin- en keukengebruik. We moeten daarom zorgen dat we de technologie zo doorontwikkelen dat we chips tegen een hoog rendement en lage kosten kunnen gaan maken. Samenwerken met bedrijven die machines en onderdelen daarvan ontwikkelen en produceren, is essentieel. Daarnaast zijn we druk bezig met de volgende generatie chips, een combinatie van fotonica een elektronica. Ook daarin kunnen we het verschil gaan maken.”
“Om ons heen wordt op allerlei fronten flink geïnvesteerd. Zo bouwt het Institute for Compound Semiconductors van Cardiff University (UK) momenteel een ultramoderne grote cleanroom van een tientallen miljoenen investering. We moeten mee, bedrijven en overheden moeten wakker geschud worden. We moeten niet alleen blijven roepen dat het hier top is, maar het is nu tijd om door te pakken. Anders lopen ze ons zo voorbij.”
Met slimme chip de markt op
“Tijdens mijn TU/e-promotietraject in de groep van Meint Smit viel mij op dat de mooie technologie die binnen de labs wordt ontwikkeld daar ook meestal blijft. Het bedrijfsleven maakt nauwelijks gebruikt van deze kennis en daar willen we met de oprichting van Effect Photonics - nu zeven jaar geleden - verandering in brengen”, aldus Boudewijn Docter, CTO van Effect Photonics.
“We maken componenten voor glasvezelnetwerken op basis van optische chips die hun oorsprong op de TU/e vonden en die wij nu doorontwikkelen. Een doosje met aan de voorkant een glasvezelconnector, aan de achterkant een elektrische connector en binnenin een optische chip met daarop alle optische functies geïntegreerd. Zo leveren wij onze modules aan klanten als Nokia en Ericsson. En die willen meer.
De verstuurde gigabits per seconde groeien exponentieel en daarom is nieuwe technologie hard nodig om aan de snelle verwerking van de datastroom te kunnen blijven voldoen. En met het aanstormende Internet of Things waarbij 'slimme' apparaten zelf met internet gaan communiceren, gaat het nog harder. Als consument zie je wel dat er allerhande nieuwe toepassingen komen, maar dat dat draait op geïntegreerde fotonica interesseert de grote massa niet. Terwijl we nu toch bijna niet zonder kunnen.”
“Voor het produceren van onze optische chips werken we intensief samen met Smart Photonics, een andere TU/e spin-off. Een design kun je efficiënt optimaliseren als je inzicht hebt in het productieproces en zo hopen we de markt snel volwassen te krijgen. Met Ton Backx van Photon Delta zijn we bezig een fotonics ecosysteem op de kaart te zetten. En dat is hard nodig, zeker om grote investeringen binnen te halen.”
Optische chip van bouwblokjes
“Het gaat momenteel erg hard in de wereld van de geïntegreerde fotonica”, zegt Luc Augustin, CTO van Smart Photonics. “Volgend jaar komen er al optische chips uit Eindhoven op de markt die het verschil gaan maken in de telecombranche.”
“In eerste instantie worden deze optische chips ingezet voor lange-afstandscommunicatie tussen datacenters. Dat merk je als consument misschien niet direct, maar als we deze stap naar optische chips niet maken, zou het internetverkeer niet dezelfde snelheid kunnen behouden.”
“SMART Photonics maakt optische chips op basis van een - door ons samen met de TU/e ontwikkeld - uniek generiek integratieproces. We leveren bouwblokjes en de klant kan deze zelf aan elkaar koppelen en zo de benodigde functionaliteit ontwerpen. Een laser, licht detecteren of juist filteren? Ook zonder uitgebreide kennis van halfgeleidermaterialen is het op deze manier voor klanten mogelijk zelf optische chips te ontwerpen.”
De rest van de wereld zit niet stil
“We lopen nu nog voorop doordat we een unieke technologie in handen hebben. Wereldwijd ligt de focus op silicon photonics, waarbij je gebruik kunt maken van de huidige elektronica-infrastructuur. In Eindhoven werken we niet met silicium, maar met indium phosphide als basismateriaal. Een materiaal dat zijn betrouwbaarheid al jaren bewijst in de telecom en waar je, in tegenstelling tot silicium, wél lasers kunt inbouwen. En dat is wel zo efficiënt; fotonische chips produceren zonder lichtbron is als het bouwen van een auto zonder motor. We hebben dus uitstekende kaarten in handen, maar om de uiteindelijke strijd te winnen, moet er wel meer geïnvesteerd worden. De rest van de wereld zit niet stil.”
Meetinstrumenten van de toekomst
“Technobis is het eerste en tot nu toe enige bedrijf dat sensoren gebaseerd op geïntegreerde fotonica commercieel in de markt zet”, stelt Pim Kat, CEO van Technobis.
“We zijn ooit begonnen met fiber meetinstrumenten, die druk, rek en temperatuur kunnen meten. Maar op zeer lage resolutie kom je met de klassieke optica niet meer weg en na een gesprek met TU/e-hoogleraar Meint Smit begreep ik dat we richting optische chips moesten. De toepassingen zijn eindeloos. We ontwikkelen voor Airbus meetsystemen die krachten op het landingsgestel weergeven bij landen en opstijgen, en kunnen met sensoren minutieuze metaalmoeheid meten.”
“Iedereen begint overtuigd te raken dat dit de meetinstrumenten van de toekomst zijn. Lichtgewicht, micro-formaat en weinig stroomverbruik. Naast de luchtvaart zijn er tal van medische toepassingen voor onze sensoren. Zo worden ze in katheters en endoscopen geïntegreerd om tijdens operaties tal van metingen te verrichten. En ze worden gebruikt in de racewereld om bijvoorbeeld druk, trillingen en verbrandingen in Formule-1-wagens te meten. Dat kunnen we over een jaar of tien in elke nieuw geproduceerde personenauto ook verwachten.”
Geïntegreerde fotonica is een niet meer te stoppen nieuwigheidje
“Geïntegreerde fotonica is een niet meer te stoppen nieuwigheidje dat voor grote doorbraken gaat zorgen. En wij dragen daar volop aan bij. Samen met de TU/e ontwikkelen we de volgende generatie chip-onderdelen, waarvan wij op industriële schaal packages produceren die betaalbaar moeten zijn.”
Discussie