De chipindustrie richt zich met geïntegreerde fotonica op hogere prestaties

By Adrie Boxmeer

Sneller, lichter, duurzamer en onder aan de streep uiteindelijk ook goedkoper: de voordelen van fotonische circuits zijn aanzienlijk, voor een breed scala aan toepassingen. En Nederland speelt mondiaal een belangrijke rol in de ontwikkeling en toepassing van deze sleuteltechnologie. De afgelopen jaren is onder aanvoering van PhotonDelta een stevig fundament gelegd onder het Nederlandse geïntegreerde fotonica ecosysteem. Eén van de belangrijke toepassingsgebieden van deze sleuteltechnologie is heterogene integratie, de combinatie van verschillende technologieën. Lees hier de andere delen van de serie.

Binnen de geïntegreerde fotonica bestaan diverse technologieën. Om uiteindelijk het optimale resultaat te krijgen voor de beoogde toepassing – en er onder aan de streep geld mee te kunnen verdienen – is het essentieel die technologieën te combineren. In zulke ‘heterogene integraties’ worden verschillende halfgeleidertechnologieën met elkaar gecombineerd op een chip of op een wafer, het platform waarop die chips gemaakt worden. Dat proces levert betere prestaties op en lagere kosten. 

Elke technologie binnen de fotonica heeft zijn eigen sterktes. Die kunnen vervolgens op verschillende manieren bij elkaar worden gebracht, afhankelijk van de toepassing. Geen enkele geïntegreerde technologie kan alle functies zelfstandig invullen; combinaties zijn nodig voor maximale functionaliteit. De reeks technieken om dat te doen – hybride of heterogene integratie – is een belangrijke groeimotor voor de Nederlandse fotonica-industrie. 

Elk van de drie belangrijkste ‘smaken’ binnen de geïntegreerde fotonica – indiumfosfide (InP), siliciumnitride (SiN) en silicium-fotonica (SiPh) – heeft zijn eigen sterke en zwakke punten. Ze zijn complementair: voor veel toepassingen kan het ene platform niet zonder het andere. Combinaties zijn nodig om bepaalde functionaliteit te ontgrendelen. Dit geldt ook voor reguliere silicium chips die nodig zijn om de fotonische chips aan te sturen. Daarnaast kunnen het verhogen van de prestaties of het verlagen van de kosten ook redenen zijn om combinaties te maken.

Trots

Welke combinaties wanneer in beeld komen, hangt helemaal af van de beoogde toepassing. Gerwin Gelinck, hoogleraar aan de TU Eindhoven en onderzoeker bij TNO in het Holst Centre, ziet drie grote toepassingsdomeinen voor geïntegreerde fotonica: telecom/datacom, automotive en medisch. “Omdat we kijken naar toepassingen met grote volumes – want dan dalen de kosten – laat telecom/datacom nu al de meeste resultaten zien. Hoe versturen we zo goedkoop en zuinig mogelijk zoveel mogelijk data? Dat kostte altijd veel stroom en er komt veel warmte bij vrij. Het overbrengen van data via licht leidt tot een aanzienlijke daling van het gebruik van energie. We zien het als een maatschappelijke taak van het Holst Centre om hieraan een bijdrage te leveren.”

Gelinck voorziet een belangrijke rol voor Nederland in de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica: “Er zijn enkele partijen die met deze nieuwe technologie heel groot aan het worden zijn. Daar mogen vooral de universiteiten trots op zijn. Nederland staat met diverse fotonische start-ups en halfgeleidergiganten als ASML en NXP vooraan bij het maken van nieuwe producten.” 

Transceivers

Tien jaar geleden was EFFECT Photonics in Eindhoven een van die start-ups. Inmiddels heeft het bedrijf zo’n 250 medewerkers en vestigingen in Nederland, Engeland, Taiwan en de VS. Boudewijn Docter, oprichter en president: “Een paar jaar geleden hebben we de eerste stappen gezet in de transitie van een R&D-bedrijf naar een productiebedrijf. De volgende stap is het produceren in grote aantallen. We maken transceivers, zenders en ontvangers ineen. Die kunnen worden gebruikt bij glasvezelverbindingen voor de middellange afstand van tien tot honderd kilometer, en zijn geschikt voor 5G-netwerken. Maar ook voor verbindingen tussen antennes, centrales en de rest van het netwerk. Daarnaast kunnen ze ook ingezet worden voor het verbinden van datacentra aan elkaar en met de Internet Exchange.”

Verschillende kleuren licht

De mogelijkheden van optisch datatransport kunnen worden verruimd door met verschillende lichtkleuren te werken, zegt Docter. “Als licht van kleur verandert, krijgt het een andere frequentie. Als je via glasvezel licht in verschillende kleuren parallel verzendt, kun je de capaciteit van de verbinding vergroten. Dus ontwikkelen wij transceivers die je kunt instellen op verschillende kleuren. Zo kun je door één glasvezelkabel wel honderd datastromen versturen.”

Docter is optimistisch over de kansen voor de Nederlandse geïntegreerde fotonica-industrie: “We hebben een goede positie wat betreft kennis en het ontwikkelen van toepassingen. Daarbij komt een lange historie in de semiconindustrie met Philips, ASML en NXP. Wel hebben we minder ervaring in het opschalen van fotonische toepassingen naar hele hoge volumes. Initiatieven zoals PhotonDelta zijn daarom zeer welkom, net als overheidsfinanciering. Als je een werkend technologieplatform hebt en een overheid die erachter staat, kun je in korte tijd veel nieuwe producten lanceren. Hierdoor gaan de volumes omhoog en daar profiteert het hele ecosysteem van. We zien nu de eerste bedrijven in Nederland die geld verdienen met geïntegreerde fotonica. Wij hebben veel pionierswerk gedaan en zijn door schade en schande wijzer geworden. Ik hoop dat het voor andere bedrijven niet zo lang gaat duren.”

Grote volumes

Bedrijvigheid rond optische chips blijft niet beperkt tot de wereld van de start-ups. Neem bijvoorbeeld NXP, de grootste producent van halfgeleiders voor de automobielindustrie. Het bedrijf kent een rijke geschiedenis die in 1953 begon als Philips Semiconductors, de eerste chipfabriek in Europa. Marketingdirecteur Rob Hoeben vertelt dat NXP zich lang heeft gericht op de klassieke, elektronische chips. “In 2006 werden we onafhankelijk van Philips. Rond die periode deden we weinig aan de productontwikkeling van optische chips. Dat halen we nu in, onder meer door te onderzoeken hoe groot de markt is.” 

Ook Domine Leenaerts, onderzoeker bij NXP en deeltijdhoogleraar aan de TU Eindhoven, ziet toekomst voor hoge data-rate toepassingen in optische siliciumchips. “Die maken de integratie met klassieke chips mogelijk en dat leidt uiteindelijk tot lagere kosten, waardoor ook de kosten per bit zullen dalen. De heterogene integratie van geïntegreerde fotonica met traditionele siliciumplatformen wordt een kritische succesfactor.”

Thermische uitdaging

Ook zien beide NXP’ers grootste mogelijkheden voor geïntegreerde fotonica in datacenters. De toenemende omvang van deze centra veroorzaakt een ‘thermische uitdaging’. Hoeben: “Bij het transport van steeds grotere hoeveelheden data ontstaat meer energie, meer warmte. Er is dus meer koeling nodig, hetgeen ook weer energie kost. De efficientie van het datatransport wordt de grote uitdaging. Omdat licht zich sneller verplaatst dan elektriciteit kun je met minder energie dezelfde hoeveelheid data aanleveren.”

Leenaerts waarschuwt wel voor een ratrace: “Hoe groter de efficiency van fotonische chips, des te minder warmte er vrijkomt. Je hebt dus minder koeling nodig. Maar er komt een moment waarop het aantrekkelijk wordt om die lagere koeling uit te ruilen tegen het verzenden van meer data, waardoor er weer warmte vrijkomt.” 

Ziet NXP een rol voor zichzelf weggelegd bij de productie van optische chips? Hoeben: “De halfgeleiderindustrie is kapitaalintensief. Er is veel geld nodig om nieuwe producten te ontwikkelen. Daarom zijn grote volumes voor ons belangrijk. Toch kijken we ook naar markten die voor ons nog te klein zijn. Dat doen we met kleinere partners. Die bedrijven vinden het fijn om met ons samen te werken. Als een product aanslaat en ze willen opschalen, hebben ze ons achter de hand.”