De Zwaartekrachtsubsidie is bedoeld voor consortia van de beste onderzoeksgroepen op een bepaald vakgebied - alleen de beste drie procent maakt een kans. De toekenning bewijst dat COBRA de afgelopen twee decennia een indrukwekkende reputatie heeft opgebouwd. Ook de betrokkenen zelf ervaren dat zo. “We hebben een internationaal leidende positie op ons gebied”, zegt hoofdaanvrager prof.dr.ir. Meint Smit. “In de wereld van de optische communicatietechnologie kent iedereen COBRA.” Zijn collega prof.dr. Harm Dorren onderschrijft dat: “We zijn een echt merk geworden”, zegt de wetenschappelijk directeur van COBRA.

“COBRA is een echt merk geworden”

De status van COBRA wordt bevestigd vanuit onafhankelijke hoek. Enkele jaren geleden schreef een beoordelingscommissie dat COBRA binnen Europa eigenlijk geen concurrentie heeft van andere academische onderzoeksgroepen. Alleen commerciële laboratoria en “één of twee Amerikaanse universiteiten” kunnen zich met COBRA meten.

COBRA werd in 1998 erkend als een van de zes nationale Toponderzoekscholen en heeft sindsdien voor een groot deel gedraaid op financiering uit de zogeheten ‘Dieptestrategie’ van NWO, onder de noemer National Research Centre Photonics. Dat programma liep op 1 januari af, vertelt Dorren. “Dit Zwaartekrachtprogramma, het Research Centre for Integrated Nanophotonics, is feitelijk de opvolger van NRC Photonics.”

De voornaamste verandering is de aansluiting van Fysica van Nanostructuren (FNA) van prof.dr. Bert Koopmans en Plasma and Materials Processing (P&MP) van prof.dr.ir. Erwin Kessels, beiden van de faculteit Technische Natuurkunde. “Daarmee is de balans tussen Electrical Engineering en Technische Natuurkunde binnen COBRA beter geworden”, zegt Smit. “En we hebben meer breedte gekregen.”

“De COBRA-groepen bouwen op natuurlijke wijze op elkaar”

Met de komst van FNA en P&MP wordt expertise op het gebied van respectievelijk spintronica en atoomlaagdepositie toegevoegd aan het palet van COBRA, dat van oudsher een ‘verticale’ opbouw kent. Van de drie oorspronkelijke kerngroepen ontwikkelt Photonics and Semiconductor Nanophysics (geleid door prof.dr. Paul Koenraad, tevens onderwijsdirecteur van COBRA) nieuwe materialen. Die worden vervolgens verwerkt in optische componenten door de groep van Meint Smit (Photonic Integration, PhI). De derde kerngroep, Electro-optical Communications (ECO, van prof.ir. Ton Koonen en Harm Dorren), onderzoekt hoe die componenten op hun beurt weer passen in volledige systemen, zoals datacentra en de netwerken die de laatste link naar de eindgebruiker vormen. “We bouwen op een heel natuurlijke wijze op elkaar”, zo formuleert Dorren het. Daarin ligt volgens de betrokkenen ook de belangrijkste basis voor het succes van COBRA.

Met de Zwaartekrachtsubsidie willen de TU/e’ers een oplossing vinden voor een serieus probleem dat aan de horizon opdoemt. Volgens de Wet van Moore groeit de capaciteit van onze computers elke tien jaar grofweg met een factor honderd. Het dataverkeer, echter, verduizendvoudigt in diezelfde periode. Om te voorkomen dat de boel vastloopt, wordt de infrastructuur momenteel met man en macht uitgebreid: de mega-datacentra schieten als paddenstoelen uit de grond. Dat houdt echter een keer op, al was het maar door het snel groeiende elektriciteitsverbruik van dergelijke kolossen. Smit: “In de Verenigde Staten zijn de datacentra al goed voor twee procent van de totale elektriciteitsconsumptie. Met de huidige technologie zal dat binnen tien jaar meer dan twintig procent worden. Dat gaat dus fout.”

Ook dichter bij huis, en zelfs achter de voordeur, zijn de grenzen volgens Ton Koonen in zicht. In de laatste meters naar de eindgebruikers, via fibre-to-the-home en draadloze netwerken, vindt het leeuwendeel van de energieconsumptie door telecomnetwerken plaats, zegt hij. “En ook hier kun je met optische technieken een hogere capaciteit bereiken en energie besparen.”

Als de huidige trend doorzet, zullen consumenten op afzienbare termijn een veelvoud voor hun digitale diensten moeten gaan betalen, of genoegen moeten nemen met (download)snelheden uit de vorige eeuw. Tenzij er een snellere en energiezuinigere technologie op de markt komt. Optische communicatie, via lichtsignalen in plaats van elektrische stroompjes, is veel sneller en energiezuiniger dan elektrische. De strategie is dan ook om tussen en ook binnenin computers, tot op het niveau van printplaten en chips, de datacommunicatie optisch uit te voeren, zodat op termijn alleen de processoren nog elektrisch zijn en de volledige datastroom uit licht bestaat.

Die ontwikkeling is al in volle gang: datatransport over grote afstanden vindt al volledig plaats via optische glasvezels. De bedoeling is dat COBRA het komende decennium belangrijke bijdragen zal leveren aan de integratie van fotonica in computers, in datacentra en in de laatste meters naar de eindgebruikers.

Niet alleen NWO draagt bij aan het nieuwe Research Center for Integrated Nanophotonics, ook de TU/e doet een duit in het zakje door de exploitatiekosten van de cleanroom (NanoLab@TU/e) voor haar rekening te nemen. Daarbovenop komt de toezegging dat COBRA vier vrouwelijke onderzoekers mag aanstellen uit het WISE-tenureprogramma. Smit: “Daarmee komen we op 25 procent vrouwelijke staf. Dat is een heel goede score voor ons vakgebied”.

COBRA: Research Centre for Integrated Nanophotonics

Het doel van het nieuwe programma van COBRA is het energiezuiniger en sneller maken van digitale systemen door zo veel mogelijk van het datatransport optisch (in de vorm van licht, door middel van nieuwe fotonica-technologie) te laten plaatsvinden. Geheel in lijn met de ‘verticale’ opbouw van COBRA vindt het inpassen van de nieuwe technologie plaats op verschillende niveaus, van de manipulatie van enkele lichtdeeltjes tot complete optische netwerken. Een kort overzicht van de plannen.

Een belangrijke uitdaging is het ontwikkelen van optische geheugens, waarin de datastroom tijdelijk opgeslagen kan worden. Er is nu nog geen goede methode om informatie in de vorm van licht op te slaan, zegt Paul Koenraad. “Er ligt een heel interessante uitdaging om dat met spintronica te doen (via de wisselwerking van licht met de magnetische eigenschappen van atomen, TJ). Daarom is de groep van Bert Koopmans bij dit programma betrokken.”

Een ander aandachtspunt is het laten aansluiten van optische componenten op de steeds kleiner wordende elektronica. Ook dat is niet eenvoudig, legt Koenraad uit: “Elektrische transistors zijn slechts enkele tientallen nanometers groot. Dat is veel kleiner dan de golflengte van licht. We moeten daarom manieren vinden om het licht in een veel kleinere ruimte te dwingen dan waar het eigenlijk wil zijn. Daar zijn nieuwe halfgeleidende materialen voor nodig en structuren met meerdere dunne laagjes van isolatoren en metalen.” Bij dat laatste zal gebruik gemaakt worden van de expertise van die andere nieuweling, Erwin Kessels. Daarnaast biedt ook het werk van Kessels’ collega dr. Ageeth Bol aan grafeen interessante mogelijkheden voor optische technologie.

De ultieme stap naar miniaturisatie is om met enkele lichtdeeltjes (fotonen) te gaan werken. Hoe minder licht, hoe zuiniger het systeem namelijk in principe wordt. Prof.dr. Andrea Fiore van PSN werkt aan dit soort systemen. De vraag is wel of dergelijke systemen ooit op grote schaal worden toegepast, aangezien die moeten worden afgekoeld tot een paar graden boven het absolute nulpunt. Dat is volgens Meint Smit echter geen onoverkomelijk probleem: “Andrea werkt echt op de grens van wat mogelijk is, maar het is heel goed mogelijk dat hij daarbij dingen leert die wij weer kunnen toepassen in andere delen van het programma.”

Aan het andere uiterste van het spectrum staat de inbreng van ECO, waar Harm Dorren zich bezighoudt met optische netwerken en optische schakelaars in datacentra (zie ook het artikel naar aanleiding van de promotie van zijn promovendus Stefano Di Lucente in Cursor 8). Binnen diezelfde groep is Ton Koonen verantwoordelijk voor de laatste meters naar de consument. Ook dat kan namelijk optisch, en zelfs draadloos, met infrarood licht.

Het tussenniveau- de chips- komt voor rekening van programmaleider Meint Smit. “Binnen NRC Photonics hebben we geleerd hoe je grote aantallen optische componenten kunt integreren op een chip”, vertelt hij. Dat heeft onder meer geleid tot een zogeheten optische schakelmatrix met meer dan 450 componenten, ontwikkeld in de groep van prof.dr. Kevin Williams. “Dat is één van de meest complexe chips die tot nu toe gerealiseerd is”, aldus Smit. “De bedoeling is nu om optische en elektrische schakelingen samen op één chip te integreren. We willen dat doen door een laag met een compleet optisch netwerk te ontwikkelen bovenop een chip met elektronica.” Die laag zal honderden miljarden bits per seconde transporteren tussen de processors (‘cores’) op die chip. Onderdeel van dit proces is het ontwikkelen van kleine, snelle en energiezuinige lichtbronnen op chips: nanolasers, waarvan er duizenden op elke chip moeten passen. Dat gebeurt weer in nauwe samenwerking met de groep van Andrea Fiore.