Chips die met licht werken zijn ‘redelijk dom’, maar toch zullen ze ooit een essentiële rol krijgen

2 dagen geleden 4

Op een chipje ter grootte van een vingernagel licht een rechthoekig structuurtje felgroen op. „Dit is een versterker voor lichtsignalen voor communicatie. Hij is veel kleiner dan de huidige apparaten”, vertelt Sonia García-Blanco, hoogleraar nanofotonica in haar lab aan de Universiteit Twente. In een lab een paar deuren verderop laat een collega een vergelijkbaar chipje zien waar dunne glasvezelkabeltjes uitsteken, als een warrige bos haar. Dit apparaatje belooft een veel grotere sensor voor de analyse van materialen te kunnen vervangen.

Fotonica is een breed vakgebied dat zich bezighoudt met de technologie van het opwekken, verplaatsen, bewerken en detecteren van licht of lichtdeeltjes (fotonen). Hieronder vallen ook lasers, zonnecellen, lichtsensoren en de glasvezelnetwerken voor snelle internetverbindingen. Geïntegreerde fotonica of optische chips zijn geminiaturiseerde varianten hiervan.

„Ze zien eruit als de chips die we kennen uit de elektronica”, zegt Pepijn Pinkse, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de Universiteit Twente. „Maar waar elektronische chips informatie verplaatsen in de vorm van elektrische stroompjes, oftewel elektronen, doen fotonische of optische chips dat met licht, oftewel fotonen.” De structuurtjes, zoals de groen oplichtende rechthoek, zijn de banen waar het licht doorheen beweegt – een soort minuscule glasvezels.

„Ik denk dat deze optische chips een essentieel onderdeel gaan worden van de technologie van de toekomst”, zegt Pinkse. Hij is niet de enige die er zo over denkt. De laatste jaren is de interesse in geïntegreerde fotonica, zoals optische chips, sterk toegenomen. Zo investeerde het Amerikaanse bedrijf Nvidia, dat chips ontwerpt voor AI-toepassingen, een paar maanden geleden vier miljard dollar in twee Amerikaanse fotonicabedrijven die werken aan optische chips voor snellere en energie-efficiëntere informatieoverdracht.

De Europese Unie en het Nationaal Groeifondsprogramma PhotonDelta zetten zich ook in voor de ontwikkeling en industriële productie van fotonische chips in Europa. Nederland speelt hierin een aardige rol, dankzij onder meer de universiteiten in Eindhoven en Twente en spin-offbedrijven.

Foto’s Eric Brinkhorst

Lichtzwaarden kunnen niet bestaan

Geïntegreerde fotonica is interessant omdat licht veel betere eigenschappen heeft voor het overbrengen van informatie dan elektrische stroom. Elektronen hebben namelijk massa en lading, waardoor ze weerstand ondervinden als ze door een materiaal bewegen. Dat zorgt voor verliezen en warmteproductie. Daar hebben de massaloze, ongeladen fotonen geen last van. Dat maakt licht energiezuiniger.

Bovendien heeft licht een grotere bandbreedte dan stroom. Dat betekent dat je er meer informatie tegelijkertijd mee kan versturen. Licht is als een snelweg met meerdere banen, terwijl een elektrische stroom een eenbaansweg is. Ook kun je meerdere soorten licht probleemloos door hetzelfde kanaal sturen. Dat lukt met elektronen niet, omdat die met elkaar wisselwerken – ze stoten elkaar af. „Omdat fotonen dat niet doen gaan twee lichtbundels gewoon dwars door elkaar heen”, zegt Pinkse. „Lightsabers, de lichtzwaarden uit de filmserie Star Wars, kunnen dus niet bestaan.”

Vanwege die eigenschappen gebruikt de telecomindustrie licht al langer voor datatransport in het glasvezelinternet. Sinds een paar jaar probeert ook de chipindustrie van de voordelen van fotonica te profiteren.

Rekenen met licht

Het lukt steeds beter om chips te maken waar licht doorheen beweegt en waarin dit gemanipuleerd kan worden. Deze optische chips bestaan uit een basislaag waarin baantjes voor het licht geëtst worden, bijvoorbeeld in een rechthoekig lusje. Dat zijn de glasvezeltjes waar het licht doorheen kan bewegen. Deze productiemethode is vergelijkbaar met die van elektronische chips, vertelt Pinkse. „Maar we gebruiken een oudere generatie machines, omdat onze structuren groter zijn. Lichtgolven nemen namelijk meer ruimte in dan elektronen.” Elektronen passen namelijk in structuren van enkele nanometers (duizendsten van een millimeter), terwijl lichtgolven een golflengte hebben van enkele honderden nanometers. Vervolgens wordt er licht in gepompt door er aan de zijkant met een laser op te schijnen. Of je maakt een structuur op de chip waardoor het licht dat je er van bovenaf op schijnt, in een van de banen gekoppeld wordt.

Optische chips zullen de elektronische niet helemaal vervangen. Juist doordat elektronen met elkaar wisselwerken kun je daar namelijk relatief eenvoudig schakelaars voor maken – die nodig zijn voor bewerkingen of berekeningen. Dat is lastiger voor fotonen. Pinkse ziet het daarom niet gebeuren dat de complete processor – het werkpaard van je computer – vervangen wordt door fotonica.

Martijn Heck, hoogleraar geïntegreerde fotonica aan de TU Eindhoven, is het daarmee eens. „Voor computers heb je grofweg drie dingen nodig: processing, geheugen en een manier om informatie van de ene naar de andere plek te verschuiven”, zegt hij. „Alleen voor dat laatste kun je elektronica nu goed vervangen door fotonica.” Licht gaat namelijk te snel voor geheugentoepassingen. En er zijn wel onderzoeksgroepen die kijken naar manieren om specifieke berekeningen helemaal optisch te doen, maar dat staat nog in de kinderschoenen. Bovendien zijn fotonische chipjes op zichzelf redelijk dom”, zegt Heck. „Ze moeten aangestuurd worden door elektronica.”

Van datacenters tot sepsis

Datacenters kunnen fotonische chips grootschalig gaan toepassen. Daar wordt licht nu al op kleinere schaal gebruikt om servers onderling te verbinden. „Als optische chips beter en kleiner worden, kunnen we ook de communicatie tussen elektronische chips optisch maken”, zegt Heck. „Daarvoor moet je ergens bij zo’n chip – ernaast of erop – een fotonisch chipje plaatsen, waarbij het optische signaal wordt omgezet in een elektronisch signaal.” Als dat lukt, kan dat de verwerking van grote hoeveelheden data sneller en energiezuiniger maken. Dat is ook interessant voor AI-toepassingen.

Een andere toepassing zijn sensoren die werken met licht, zoals lidars voor zelfrijdende voertuigen. Daarbij brengen lasersensoren de omgeving nauwkeurig in kaart op een manier die vergelijkbaar is met radartechnologie. Ook sensoren die bijvoorbeeld verontreinigingen in water of bloedwaarden meten, werken met licht, vertelt Pinkse. Hierbij wordt het licht dat het materiaal reflecteert of doorlaat, door een zogeheten spectrometer opgevangen en uitgesplitst in de verschillende kleuren waar het uit bestaat. Omdat elke stof bepaalde kleuren absorbeert of juist uitzendt, blijft er een soort vingerafdruk achter in het licht. Zo kun je achterhalen welke stoffen in welke hoeveelheden in een materiaal voorkomen.

„Wij werken aan optische chips met een spectrometer die lichtmetingen snel en efficiënt kunnen verwerken”, vertelt Pinkse. „Daarbij komt het gemeten licht via een glasvezel binnen waarna het dankzij een slim ontworpen structuur op de optische chip wordt uitgesplitst in de verschillende kleuren licht.” Daaruit kun je de samenstelling van een materiaal afleiden. „Wij proberen met die techniek bijvoorbeeld een sensor voor analyse van bloed te ontwikkelen die binnen een halfuur veel verschillende biomarkers kan meten die wijzen op sepsis, of bloedvergiftiging”, zegt Sonia García-Blanco. „Dat is nuttig omdat je bij sepsis snel moet beslissen wat de beste behandeling is.”

In een ander Twents lab werkt hoogleraar David Marpaung aan optische chips die laserlicht kunnen ontdoen van ruis. „Daarvoor maken we gebruik van de wisselwerking tussen licht en geluidgolven of drukgolven in het materiaal”, vertelt hij. „De lichtgolven veroorzaken een drukgolf in ons materiaal. Die geluidsgolf beïnvloedt vervolgens het materiaal en daarmee het licht dat daar doorheen beweegt. Door de golfgeleiders waar het licht doorheen beweegt slim te ontwerpen kunnen we zorgen dat de geluidsgolven die ontstaan ervoor zorgen dat eventuele ruis in het lasersignaal onderdrukt wordt.”

Deze corrigerende optische chips gebruikt Marpaung vervolgens om atoomklokken, de meest nauwkeurige tijdsmetingen, te miniaturiseren. Die apparaten, die sterk leunen op het gebruik van uiterst precieze laserlichtgolven, passen nu net in een bestelbusje. „Ons doel is een atoomklok van het formaat van een waterfles, zodat tijdsynchronisatie, bijvoorbeeld voor navigatie, mobieler wordt”, zegt hij. Dat zou ons minder afhankelijk maken van gps-satellieten, waarvan een vijandige partij het signaal kan verstoren.

Dit soort ontwikkelingen zijn interessant voor defensie en veiligheidsdiensten. „Dat geldt ook voor chips voor optische communicatie door de vrije ruimte, zonder glasvezels”, vertelt Pinkse. „Daarmee kun je informatie in een smalle, gerichte lichtbundel ergens heen sturen, zodat een andere partij minder makkelijk kan meeluisteren. Bovendien blokkeren muren licht. Dat betekent dat iemand vanaf de gang de informatie die wij in een kamer via een lichtsignaal uitwisselen, niet kan onderscheppen.”

Transistorradio

Om deze technologieën van het lab naar de markt te brengen, zijn er nog een paar grote uitdagingen. „We kunnen nu af en toe een paar mooie, goed werkende chips maken in ons lab”, zegt Pinkse. „Maar we moeten toe naar fabrieken die miljoenen betrouwbare chips kunnen produceren.” Zo ver zijn we nog niet. „We zijn met de optische chips nu waar we rond de jaren zestig waren met elektronica”, vervolgt hij. „Toen had je transistorradio’s waar met de hand enkele transistors in gesoldeerd waren. En aan universiteiten werd op dat moment gewerkt aan de eerste elektrische microchips.”

De spin-offbedrijven in Twente en Eindhoven gebruiken nu bijvoorbeeld nog vaak de cleanrooms van de naburige universiteiten. En bepaalde fotonische chips kunnen ze laten produceren in Taiwan of door het Eindhovense bedrijf Smart Photonics. „Maar daar zit een grens aan”, zegt García-Blanco. „Daarom moeten we verder opschalen.” De eerste stap bestaat uit twee pilot-chipfabrieken, een in Twente en een in Eindhoven.

Die twee zijn geen concurrenten omdat ze met verschillende basismaterialen werken. In Twente wordt vooral gewerkt met siliciumnitride, dat veel verschillende soorten licht efficiënt kan verwerken. Het nadeel is dat je er geen actieve onderdelen in kan maken, zoals een laser. Die moet je er dus extern aan koppelen. In Eindhoven werken de universiteit en bedrijven veel met het basismateriaal indiumfosfide. Daarmee kun je wel actieve onderdelen maken, zoals lasers en bepaalde schakelaartjes.

Testen en inpakken

De volgende uitdaging is dat de productie betrouwbaar moet zijn. „Je wilt dat 99 van de 100 chips goed zijn”, zegt Pinkse. Daarvoor moet je automatisch kunnen testen of ze het doen. Nu testen onderzoekers hun chips één voor één handmatig in hun lab. „We werken nog aan de ontwikkeling van een automatische, gestandaardiseerde methode waarmee je een wafer – met daarop enkele tientallen chips – in een keer kunt testen.”

Waar ook nog een enorme uitdaging ligt is het combineren van verschillende onderdelen, zegt Heck. „We moeten bijvoorbeeld componenten van indiumfosfide met siliciumnitride samenvoegen en fotonica en elektronica combineren.” Daarnaast moet er vaak een minuscule glasvezel aangesloten worden. Dat moet allemaal met enorme precisie – soms op minder dan een micrometer nauwkeurig. „Deze zogeheten packaging van fotonische chips moet nog veel verder doorontwikkeld worden”, zegt Heck.

Deze uitdagingen maken het opzetten van massaproductie van optische chips een kostbare aangelegenheid. Toch pleiten de onderzoekers ervoor dat Nederland en Europa investeren in de ontwikkeling van deze chipfabrieken. „Het fotonicaonderzoek in Nederland is sterk, en daarom kunnen we als relatief klein land toch een grote rol spelen”, zegt David Marpaung. Pinkse beaamt dat: „We zijn in Nederland al vroeg begonnen met onderzoek naar fotonische chips. En we hebben in Twente en Eindhoven een ecosysteem van spin-offbedrijven om de universiteiten heen. Dat levert waardevolle kruisbestuivingen op.”

„Dit is het moment waarop Nederland en Europa in de positie zijn om in de fotonicamarkt te stappen”, vult García-Blanco aan. „Daarvoor moet er wel geïnvesteerd worden, anders kunnen de spin-offs niet uitgroeien tot volwaardige bedrijven. Dan blijft het bij mooie wetenschappelijke publicaties en streven anderen ons voorbij.”

Heck schat de positie van Europa minder gunstig in. „Als we het aan de vrije markt overlaten, gaan we deze chips niet in Europa produceren. Dat kan elders goedkoper”, zegt hij. „Maar het is geen vrije markt. Geïntegreerde fotonica is namelijk een megabelangrijke technologie, onder meer voor defensietoepassingen. Daarom moeten we er alles aan doen om ervoor te zorgen dat we in Europa in elk geval een kritische productiecapaciteit houden.”