Jeroen Bolk zat op 12 mei om half twee ‘s middags thuis achter zijn laptop, met een reservelaptop binnen handbereik en een alternatieve Wifi-verbinding achter de hand voor noodgevallen. Geen zaal, geen podium, geen gasten, geen rokkostuum; maar toch was dit wel degelijk het moment dat hij zijn proefschrift moest verdedigen tegenover een commissie die óók thuis zat. “Pas een week van tevoren was duidelijk hoe die online verdediging precies in zijn werk zou gaan. Helaas kon op het moment zelf niemand meekijken, maar ik heb wel de opname van de verdediging dezelfde dag nog op YouTube gezet en de mensen die ik anders had willen uitnodigen een link gestuurd.”

Een promotie had de 43-jarige Bolk overigens helemaal niet in gedachten toen hij in 2009 als technicus in dienst kwam bij NanoLab@TU/e. Na een opleiding op de Hogere Laboratoriumschool - richting chemie - was hij via het NatLab bij NXP terechtgekomen, de voormalige halfgeleiderdivisie van Philips in Nijmegen. Daar miste hij echter de mogelijkheid tot innoveren en Bolk besloot de overstap te maken naar de TU/e. “Ik had inmiddels veel geleerd over hoe je elektronische computerchips maakt, maar van fotonische chips had ik nog nooit gehoord”, geeft hij toe.

Vanuit de groep Photonic Integration (Electrical Engineering) werd destijds net onderzoek opgestart naar hoe je op grote schaal fotonische chips kunt produceren - een potentieel zeer snelle en zuinige technologie waarin de rol van informatiedrager wordt vervuld door licht, in plaats van elektronen zoals in standaard computerchips. “Fotonische chips stonden toen nog echt in de kinderschoenen. In 2010 kregen we een waferscanner van ASML, waarmee patronen van 100 nanometer nauwkeurig kunnen worden gemaakt. Zo’n apparaat kost nieuw wel tien miljoen euro en weegt duizenden kilo’s - we hebben zelfs de vloer van het lab er nog voor moeten aanpassen.”

Normaal werkt zo’n waferscanner met plakken silicium - ‘wafers’ - van twintig tot dertig centimeter in doorsnede, terwijl het basismateriaal voor fotonische chips bestaat uit plakken indiumfosfide van slechts drie tot vier inch (7,5 tot 10 cm). “Zulke kleine plakjes kon de machine niet vastpakken, dus uiteindelijk heeft ASML de machine in 2012 aangepast zodat hij ook overweg kon met kleine wafers. Daarmee hadden wij wereldwijd de enige machine staan waarmee je snel zulke nauwkeurige patronen kan maken op wafers voor fotonische chips.”

Diaprojector

De daaropvolgende jaren hield Bolk zich als technicus bezig met de vraag hoe je met deze unieke machine ook daadwerkelijk fotonische chips kunt maken. Daarvoor moet je piepkleine patronen maken met behulp van een techniek die fotolithografie wordt genoemd. “De machine van ASML kun je oneerbiedig beschrijven als een dure diaprojector”, zegt hij. De waferscanner bevat een argonfluoride-laser die ultraviolet licht uitzendt waarmee via een masker en een geavanceerd lenzensysteem een patroon wordt geprojecteerd op de wafer. Die wafer is voorzien van een lichtgevoelige coating, waardoor het afgebeelde patroon in een later stadium kan worden weggeëtst.

De patronen op fotonische chips zijn overigens wezenlijk anders dan die op hun elektronische familieleden, legt Bolk uit. “Voor elektronica zijn hoekige patronen bijvoorbeeld geen probleem, maar voor het geleiden van licht heb je rondere, gladde structuren nodig.” Voor de uiteindelijke fotonische chip worden tien tot twintig van dergelijke patronen in laagjes op elkaar aangebracht. “Je hebt dus ook een apparaat nodig dat controleert of die laagjes de juiste dikte hebben, of de structuren de correcte afmetingen hebben, en of ze op de juiste manier op elkaar passen. Dat vereist een hele infrastructuur, waarvoor ik in eerste instantie het technisch-ondersteunende werk heb gedaan.”

Onderzoeker

In 2017 werd de technicus benaderd met de vraag of hij het project als promovendus voort wilde zetten. “Dat wetenschappelijke werk sloot naadloos aan bij wat ik de jaren daarvoor had gedaan, en ik vond het wel interessant om in de rol van onderzoeker te stappen. Bovendien was ik al grotendeels vrijgemaakt om deze opstelling te begeleiden, hoewel ik mijn rol als technicus uiteindelijk niet volledig heb neergelegd.”

De afgelopen jaren bewees Bolk dat de waferscanner meerwaarde heeft voor een deel van de patronen voor optische chips, en zelfs mogelijkheden creëert om fotonische bouwblokken  te ontwikkelen die voorheen ondenkbaar waren. In zekere zin is de cirkel rond, zegt de kersverse doctor. “We werken nu aan fotonische chips die als sensor kunnen worden gebruikt om de nieuwe generatie chipmachines nog beter te maken. Dat vind ik mooi.”