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 mede door het beleid van de overheid, provincies en Brainport onder aanvoering van PhotonDelta een stevig fundament gelegd onder het Nederlandse fotonica ecosysteem. Er is dankzij het werk van de technische universiteiten en instellingen als TNO en imec een sterke kennisbasis, een specialisatie op twee essentiële productieplatformen en een toeleveringsketen die voor prototyping en een beginnende productie zorgt.
De concurrentie vóór blijven
Nederland heeft zich dankzij deze ontwikkelingen op wereldniveau een onderscheidende positie verworven in geïntegreerde fotonica. Nu is het tijd voor een reeks vervolgstappen, zegt PhotonDelta-directeur Ewit Roos. “Op die manier kunnen we de concurrentie vóór blijven en de beoogde strategische autonomie van Europa op fotonica versterken.”
Wat is geïntegreerde fotonica?
Fotonica is vergelijkbaar met elektronica. In plaats van elektronen gebruikt het echter fotonen (licht) om informatie over te dragen. Fotonische technologie detecteert, genereert, transporteert en verwerkt licht. Huidige toepassingen zijn onder meer te vinden in zonnecellen, sensoren en glasvezelnetwerken.
Fotonische chips, in jargon Photonic Integrated Circuits (PICs) genoemd, integreren verschillende fotonische en vaak elektronische functies in een microchip om kleinere, snellere en energiezuinigere apparaten te maken. Dat is bijvoorbeeld heel erg aan de orde in datacenters: door gebruik te maken van de kracht van licht, kunnen PICs gegevens effectiever verwerken en verzenden dan hun elektronische tegenhangers. Het productieproces verloopt net als bij traditionele chips via automatische wafer-scale technologie. Dit maakt dat de chips in massa geproduceerd kunnen worden, zodat de kosten worden verlaagd.
De huidige technologische revolutie – deels gedreven door een toenemende vraag naar digitale oplossingen – zorgt voor een versnelling in de creatie van data en digitale apparaten. Elektronische microchiptechnologie kan met die ontwikkeling geen gelijke trend houden. Geïntegreerde fotonica biedt een duurzame oplossing voor het energieverbruik en de technologische uitdagingen van de samenleving. Het uiteindelijke toepassingsbereik is breed, van energiezuinige datacommunicatie tot sensoren voor medische toepassingen en batterijmanagement in auto’s.
De Nederlandse ambitie komt voort uit twee ontwikkelingen, zegt Roos: “De digitaliserende wereld heeft voor de aanpak van de grote opgaven van onze tijd behoefte aan fotonische functies én Europa staat klaar om daar in de uiteenlopende waardeketens een strategische positie in te nemen. Nederland neemt daarin, in nauwe samenwerking met andere Europese partners, het voortouw. R&D, logistiek, operationeel, industrieel: die schat aan kennis en ervaring zetten we in om positie te pakken in deze sterk groeiende wereldwijde markt’’.
Geen vervanger van elektronica
Roos ziet verschillende onderliggende verklaringen voor het groeiende belang van fotonica: de lagere energie footprint van transport met licht (fotonen), de enorme eisen aan sensoren om soms zelf op afstand en real-time te herkennen, te ruiken of te meten, dat kan niet zonder lichttechnologie en de ‘low-loss’ transporteigenschappen van bepaalde fotonische circuits die essentieel zijn voor bijvoorbeeld quantum computing. “Licht heeft andere toepassingsmogelijkheden dan elektriciteit. Licht zal daarom nooit de elektronische circuits kunnen vervangen. Daarom is de belangstelling vanuit de semiconductor industrie zo groot om fotonische functies meer en meer te integreren in of naast de elektronica: het verrijkt en maakt nieuwe toepassingen mogelijk.”
Wat is PhotonDelta?
PhotonDelta biedt een end-to-end supply chain die applicaties met fotonische chips ontwerpt, ontwikkelt en produceert. De intensieve samenwerking tussen alle deelnemers en partners is de kern van het initiatief, van start-ups tot instellingen voor fotonica-onderzoek, allemaal specialisten in het ontwerpen en vervaardigen van geïntegreerde fotonica-technologie. Samen stimuleren ze baanbrekende innovaties in de toepassing van licht om enkele van ‘s werelds grootste problemen op te lossen.
Gevestigd in Nederland, een land dat vooroploopt op het gebied van geïntegreerd fotonica-onderzoek, pionieren de PhotonDelta-partners met nieuwe producten en oplossingen in meerdere markten en productdomeinen. PhotonDelta verbindt pioniers op het gebied van geïntegreerde fotonica met investeerders en levensvatbare markten. Op die manier krijgt de marktacceptatie een versnelling en faciliteert het de realisatie van baanbrekende innovaties met fotonische chips.
Health, agrifood, mobiliteit, data & telecom (zie ook het kader onderaan dit artikel) zijn misschien wel de meest in het oog springende sectoren die hun voordeel doen met fotonische oplossingen. Roos: “We weten allemaal inmiddels wat ons nog te wachten staat rond het energieverbruik van datacenters. Het is overigens een misvatting dat geïntegreerde fotonica het ei van Columbus is voor deze problematiek, daarvoor moet eerst nog een veelvoud aan andere factoren aangepakt worden. Wel is geïntegreerde fotonica niet meer weg te denken als technologie om de niet aflatende groei in het dataverkeer te kunnen bijhouden. Zonder fotonica zou Netflix een haperende diashow in de huiskamer zijn’. Of kijk naar het gebruik van fotonische sensoren in medische en agrarische toepassingen, of in de vliegtuigindustrie: voorbeelden die het enorme belang van deze technologie onderstrepen. Voor de ontwikkeling van quantum computing is geïntegreerde fotonica zelfs onontbeerlijk.”
Positie op de wereldmarkt
Waar de sector nu tegenaan loopt is de fase van verdere industrialisatie, waarbij schaalvergroting (ofwel: kostenverlaging per PIC) en integratie op de bestaande grote productieplatformen van de bestaande semiconductor industrie aan de orde zijn. Voor Roos is er geen twijfel over: “De wereld ziet deze potentie en investeert daarin. Wij als ecosysteem maar ook in Europees verband, sorteren daar natuurlijk op voor door te excelleren en ons te concentreren op waar goed in zijn. Alleen dan kunnen we een positie pakken in die wereldwijde waardeketens.”
Dat vergt dus strategische keuzes. Hoewel beslist nog niet in industriële topvorm, beschikt het PhotonDelta ecosysteem in aanleg wel al over een volledige supply chain en twee PIC productieplatformen Indiumfosfide (InP) en SiliciumNitride (SiN) en imec’s Silicon Photonics (SiPh) pilot line. “Deze zijn afzonderlijk of in combinatie nodig in veel (deel-)oplossingen en dus is het van belang om te zijn aangesloten op de internationale waardeketens waar die oplossingen worden gemaakt. Dat kan in Nederland zijn, we hebben immers ook een goed functionerende ‘’packaging en assemblage’’ activiteit, of als co-productie in een buitenlandse fabriek.”
Ook interessant: PhotonFirst komt met een Lego-achtig modulair fotonica platform voor geavanceerd meten
Hoe dan ook is het essentieel om de Nederlandse platformen aan te sluiten op de internationale en complementaire productieplatformen. Zo hebben we op een steenworp afstand van onze grens, in Leuven, de wereldwijd erkende expertise en het internationale ecosysteem van imec op Silicon Photonics. Een interregionale samenwerking zorgt ervoor dat de Nederlandse specialty platformen zich in volle synergie kunnen ontwikkelen met de hoog-volume CMOS gebaseerde Silicon Photonics platformen die nu internationaal worden uitgerold.
Zaak is om in ieder geval de juiste en beste ingrediënten te hebben die nodig zijn voor een bepaald eindproduct, zegt Roos. “Bijvoorbeeld een LIDAR voor een autonoom voertuig of een meetmodule om de schokbestendigheid van een torenflat in Taipei in de gaten te houden. En dat is waarop we ons concentreren: we zijn bezig met de opbouw van een zo compleet mogelijke bibliotheek aan bouwblokken zodat de wereld naar ons komt om de PIC of afgemonteerde modules te halen die ze nodig hebben voor de applicaties die ze willen maken.”
Extra bedrijvigheid aantrekken
De consequentie daarvan is, zo verzekert de PhotonDelta-directeur, dat je in verschillende waardeketens een positie opbouwt omdat je PIC of modules kan aanbieden met wereldklasse functionaliteit tegen de beste prijs. Dat zal ook in Nederland zelf weer tot extra bedrijvigheid leiden. “Het ecosysteem trekt niet alleen geld, maar ook bedrijven aan uit het buitenland. Dus daar stuurt Nederland ook op aan.”
We bouwen een zo compleet mogelijke bibliotheek van bouwstenen, zodat de wereld naar ons toe komt…
Ewit Roos, directeur PhotonDelta
Er is, vooral door de moordende concurrentie vanuit landen waar overheidssteun veel vanzelfsprekender is dan in het streng gereguleerde Europa, geen tijd te verliezen, zegt Roos. Internationale samenwerking is hard nodig, benadrukt hij. Daarbij zijn grote spelers in de bestaande chipindustrie in beeld, maar zeker ook het wereldvermaarde onderzoeksinstituut imec, met het hoofdkwartier in Leuven, maar met ook meerdere vestigingen in Nederland. “Imec is wereldleider op toegepast onderzoek voor de semiconductor industrie en de aangewezen partner om ook met geïntegreerde fotonica een toppositie te kunnen realiseren.” Imec Nederland is vanuit Holst Centre in Eindhoven aangesloten bij Photondelta, ook om op die manier de samenwerking met Leuven verder te versterken. PhotonDelta zal gebruik maken van imec’s wereldpositie op SiPhotonics, een derde productieplatform naast InP en SiN.
Economische duurzaamheid
PhotonDelta verwacht dat de doorontwikkeling van het Europese ecosysteem voor fotonica zal leiden tot voordelen die verder reiken dan de eigen sector. “Fotonica stimuleert innovatie en bedrijvigheid maar zorgt ook voor een aantrekkelijk vestigingsklimaat en aanzuigende werking van kapitaal. Beide zijn belangrijke voorwaarden voor economische duurzaamheid. Rond PIC-productie zal een schil van gespecialiseerde ontwerpbureaus ontstaan die met hun bouwstenen de wensen vanuit individuele marktsegmenten efficiënt kunnen omzetten naar chipdesigns. Het is zeker denkbaar dat ook hun klanten zich in de directe omgeving van een dergelijk cluster zouden willen vestigen.”
Bovendien profiteert Nederland volgens Roos omdat alle relevante economische activiteiten in de waardeketen, van apparatuur-ontwikkeling tot verkoop, onderzoek, productinnovatie, ontwerp, productie en finale assemblage, in Nederland kunnen worden uitgevoerd.
De vele toepassingen van Fotonica
Wie zich verliest in alle ins en outs van de fascinerende technologie achter fotonica, zou bijna vergeten dat het uiteindelijk natuurlijk gaat om de toepassingen die een belangrijke bijdrage kunnen bieden aan de oplossing van onze grote maatschappelijke vraagstukken. Meest in het oog springend daarbij zijn domeinen als data & telecom, health, mobiliteit en agritech. Het is niet zo dat het succes hiervan alléén door fotonische elementen wordt bepaald, maar innovaties worden er wel door gefaciliteerd.
Data & telecom
Het wereldwijde dataverkeer verdubbelt elke twee jaar. Aangezien het groeitempo in de toekomst waarschijnlijk nog verder zal toenemen, worden optische communicatie- en netwerktechnologieën essentieel om deze groei op een energie-efficiënte en duurzame manier op te vangen. De grootste uitdaging binnen dit domein is het hoge energieverbruik van de data-infrastructuur. Zonder besparingen zal het aandeel van data- en internetgebruik naar verwachting tegen 2027 ongeveer 10% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik bedragen. Het gaat hier enerzijds om energieverbruik door eindgebruikers, anderzijds ook om datacenters. 5G, Internet of Things en kunstmatige intelligentie geven daar nog een verdere versnelling aan. Fotonica levert winst op in snelheid, gewicht en energieverbruik.
Health
Belangrijke uitdagingen voor Europa op het gebied van biowetenschappen en gezondheid zijn een vergrijzende samenleving, de toename van ouderdomsziekten en stijgende kosten van het gezondheidszorgstelsel. De ontwikkeling van mobiele, draagbare fotonische apparaten (in combinatie met geavanceerde biosensoren voor directe point-of-care-diagnostiek en behandeling die de medische toestand en het welzijn van de drager meten) kan bijdragen aan vroege detectie en diagnose van ziekten, evenals aan eerdere en meer gerichte behandeling. Fotonica zorgt ervoor dat een bezoek aan het ziekenhuis niet meer nodig is voor veel behandelingen of consulten.
Mobility
De grootste uitdaging in automotive ligt de komende tijd in de beschikbaarheid van betaalbare sensoren om autonoom rijden in verschillende fasen mogelijk te maken. Door de voordelen van fotonische chips (gewicht, snelheid, kostprijs) nemen de mogelijkheden voor zelfrijdend vervoer toe. Dat heeft positieve gevolgen voor de verkeersveiligheid en wordt verloren reistijd weer beschikbaar gemaakt. Ook voor batterijbeheer in elektrische voertuigen en de aansturing van traditionele auto’s kan fotonica veel betekenen. Voor de vliegtuigindustrie ligt de nadruk op sensorsystemen.
Agrifood
Om een wereldbevolking te voeden die naar verwachting 10 miljard mensen zal bereiken in 2050, is een drastische toename van de voedselproductie nodig. Maar dat moet dan wel op een duurzame manier gebeuren: zonder stikstofoverschot of overtollige CO2-uitstoot en liefst ook op een manier waarbij dierlijke eiwitten hebben plaatsgemaakt voor plantaardige. Daarnaast is voedselveiligheid een belangrijke randvoorwaarde. De oplossing ligt in de precisielandbouw, iets waar fotonica een grote rol kan spelen. Sensorsystemen die draaien op fotonica zorgen ervoor dat aan alle eisen rond veiligheid, gezondheid en duurzaamheid kan worden voldaan.
Samenwerking
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
