Wat kunnen we in 2019 van de Europese fotonica verwachten?

José Pozo is directeur Technologie en Innovatie van het European Photonics Industry Consortium (EPIC) en een gerenommeerde autoriteit op het gebied van de vooruitgang in fotonica technologieën. Hij volgt de ontwikkelingen in fotonica op de voet. Aan de vooravond van Photonics West in San Francisco nam Jonathan Marks van PhotonDelta de gelegenheid te baat om zijn laatste observaties over wat er nu moet gebeuren in de Europese fotonica te aanhoren.

Meer IO-berichtgeving over de belangrijke ontwikkelingen in de fotonica hier

Misschien kunnen we beginnen met wat de betekenis is van twee nieuwe projecten: Inpulse en OIPNWE. Wat is uw visie op hun betekenis?

InPulse is een belangrijk nieuw programma van de Europese Commissie om het gezamenlijk Europees platform voor fotonische integratie van componenten en schakelingen (JePPIX) naar een hoger niveau te tillen. Tot nu toe bieden zij Multi-Project Wafer diensten aan voor Indium Phosphide en Silicon Nitride geïntegreerde fotonica. JePPIX bestrijkt de gehele supply chain: Phoundry (gieterij), software, bouwstenen, ontwerpondersteuning, testen en verpakking. Het is een manier voor bedrijven om de kosten van prototyping van fotonische geïntegreerde chips te verlagen.

Drie punten zijn daarbij van belang:

1. Binnen een redelijke tijd kunnen de Jeppix-cliënten van een idee naar een set chips met een laag volume gaan. Maar we moeten het proces versnellen. Allereerst is de stap van idee naar een echte chip lang en langzaam. Het is op dit moment minstens een paar jaar. Ik geloof dat zelfs een jaar te lang is en het is veel meer dan dat nu.
2. Het tweede punt is het volume. De meeste van deze bedrijven zeggen dat ze chipmodules hebben gebouwd in een uitstekende verpakking en uitstekende specificaties. Maar ze kunnen slechts 100 eenheden per jaar bouwen volgens dit soort specificaties.
3. Dit alles zou de sensormarkt in Formule 1 auto’s kunnen bedienen. Maar het is niet genoeg om serieus te concurreren in grote markten. 5G begint uit te rollen en fotonica zal een cruciale rol spelen om ervoor te zorgen dat de nieuwe 5G-netwerken met 90% minder energie werken dan de huidige 4G-netwerken. En er zullen 100 miljoen apparaten op deze netwerken worden aangesloten, dus slimme antenne-ontwerpen zijn essentieel voor het opbouwen van ultrasnelle, veilige netwerken. Ik ben enthousiast over de plannen om met Seagate fotonische geïntegreerde schakelingen op harde schijven te plaatsen. We hebben het over miljoenen eenheden en er is veel voor te zeggen om deze schaalvergroting in Nederland uit te voeren.

Van 3 tot 4-inch wafers

3-inch Indium Phosphide wafer 2019

De uitdaging voor Indiumfosfidegieterijen

“Als we nu genoeg klanten hadden om dit gat op te vullen, hadden we deze externe financiering niet nodig.”

Het probleem is dat de gieterijen die de chips kunnen aanbieden nog steeds werken met 3-inch wafers (wat bijvoorbeeld het geval is met SMART Photonics). Als je hen vraagt wanneer ze naar 4 inch gaan, zeggen ze dat ze nog niet genoeg klanten hebben om de capaciteit die nodig is om break-even te kunnen produceren met 4-inch wafers te vullen.

Maar dit is een kip-en-ei situatie. Als we nu genoeg klanten hadden om de leemte op te vullen, zouden we deze externe financiering niet nodig hebben. Maar we moeten het gat dichten om een kosteneffectieve migratie naar vier-inch PIC-wafers aan te bieden, wat essentieel is als de gieterij naar een hoger volume gaat.

De behoefte aan geautomatiseerd ontwerp

Een ander punt. De meeste gebruikers van geïntegreerde fotonicachips met Indiumfosfide werken in grote volumemarkten. Zij willen een geautomatiseerd ontwerp. Dat komt omdat ze gewend zijn aan de CMOS designsystemen die gebruikt worden bij het ontwerpen van elektronische chips. Je hoeft geen optisch natuurkundige te zijn om alles wat een chip nodig heeft te maken en te optimaliseren. Deze klanten willen dat de softwaretools volledig geoptimaliseerd worden. We moeten dus een manier vinden om samen met de topontwerpers van ontwerpsoftwareleveranciers Synopsys, VPI, PhotonDesign, Bright Photonics, VLC en de ontwerpers bij Fraunhofer HHI en de TU Eindhoven. Stel uit deze organisaties een talentenpool samen met als doel om te komen tot de volgende generatie van chipontwerp en optimalisatietools. Denk bij voorkeur langs de ontwerplijnen die al voor CMOS zijn gemaakt. Je denkt na over functionaliteit, en van functionaliteit naar daadwerkelijk lay-outontwerp wordt dan een geautomatiseerd proces. Dat is wat er gaat gebeuren in InPulse. En de derde uitdaging is dan de verpakking. Want we moeten manieren vinden om de huidige hoge kosten van het aansluiten van deze chips op de rest van het systeem te reduceren.

Verschillende mogelijkheden tot opschaling

Gelukkig voor ons heeft de Europese Commissie ongeveer 18 maanden geleden een andere proefproductielijn gefinancierd, genaamd PIXAPP, gevestigd in Tyndall in Ierland. Enkele toonaangevende bedrijven in de sector van de precisiegereedschappen zoals ficonTEC zijn bezig met de automatisering en het testen van fotonische apparaten. Dus nu is het doel van de twee pilotlijnen is om contact te leggen met PIXAPP, zodat elk bedrijf dat systeemmodules wil maken die gebruik maken van geïntegreerde fotonicachips de wafers van een InP gieterij kan krijgen. Dat zou bijvoorbeeld SMART Photonics of HHI kunnen zijn.

We hebben ook bedrijven als PhIX Photonic Assembly in Twente zien opkomen. Dat is erg interessant voor bedrijven die hun producten op contractbasis moeten produceren.

Maar neem bijvoorbeeld ProDrive technologies, een zeer gespecialiseerde camerafabrikant. Wat ze nodig hebben, zijn alle hulpmiddelen om PIC-geschikte producten in grote aantallen te kunnen produceren. Stel je voor dat ze een bank van 15 tot 20 van deze hightech verpakkingsmachines hadden die maandelijks 40-50 wafers van een InP gieterij verwerken, zodat ze volledig in staat zijn om chips te produceren voor elke vorm van LIDAR of 5G Photonics toepassing. Dat zou een aanvulling zijn op wat we zien in Phix Photonic Assembly, Technobis en Tyndall in Ierland. De markt zal ze allemaal nodig hebben.

.

Wat is uw definitie van hoog volume?

Voor mij is alles wat boven de productie van duizend 4-inch Indium Phosphide PIC wafers per jaar gaat, dat is hoog volume. Omdat halfgeleiderfabrieken met grotere 8-inch wafers werken, is het belangrijk om de productie daarmee te gaan vergelijken.

Hoe was de start van het InPulse initiatief?

Ik denk dat InPulse een ontwikkelingsprogramma is dat nog vele jaren nodig zal zijn. De Europese Commissie gaat de eerste vier jaar van de pilot-lijnontwikkeling voor de productie van volumes financieren. Daarna moet het ecosysteem in staat zijn om voldoende klanten te hebben om het zonder verdere publieke financiering te laten groeien. Het zal een intensieve samenwerking tussen verschillende Europese bedrijven en onderzoeksorganisaties vereisen. Maar ik ken het niveau van talent in Ierland, Nederland, Duitsland en Frankrijk, en ik heb er alle vertrouwen in dat het gaat werken.

Maar we moeten kijken naar financieringsmodellen om deze fotonische productieprojecten te ondersteunen en niet alleen maar wachten tot het geld van de Commissie opraakt. Het is duidelijk dat de industrie daar behoefte aan heeft. De chipdesignhuizen, de gieterijen, de verpakkingscentra, dit zijn allemaal belangrijke bedrijven.

De halfgeleiderindustrie wordt gedomineerd door een aantal grote spelers. Dit zijn grote internationale bedrijven, die chips ontwerpen in de VS of Europa, en vaak in Azië produceren. De fotonica-industrie in Europa bestaat uit honderden kleine maar zeer innovatieve bedrijven. Als ze de productie opschalen, hebben we een one-stop-shop nodig die de gecombineerde productiecapaciteiten van dit ecosysteem kan vertegenwoordigen. Het moet de lange lijst van niet-fotone bedrijven benaderen, die baat zouden hebben bij het bouwen van toepassingen van de volgende generatie met behulp van lichttechnologieën. Indiumfosfide is een technologie die klaar is voor schaalvergroting. Maar de volgende generatie chips zal de mogelijkheden van InP-fotonica combineren met functionaliteit die beter kan worden gecombineerd met siliciumelektronica of siliciumfotonica – om bijvoorbeeld nanolasers te maken.

Welke rol zie je voor PhotonDelta?

Ik denk dat de leden ervan centraal staan in deze programma’s zoals PIXAPP, JePPIx, InPulse en OIPNWE. Want dit zijn allemaal inspanningen om de productie van de hele PIC-productieketen op te schalen om fotonica naar een hoger niveau te tillen. Dat vraagt om een duidelijk samenhangend aanbod van een organisatie als PhotonDelta.

Meer digitale mkb-bedrijven creëren

Ik vind dat we in Nederland een digitaal innovatiecentrum voor fotonica nodig hebben. Ik weet dat er veel definities zijn van wat een digitaal innovatieknooppunt zou moeten zijn. Naar mijn mening moet het een plek zijn waar elk mkb-bedrijf onafhankelijk advies kan inwinnen over de verdere “digitalisering” van zijn bedrijf. PhotonDelta moet actief de hand reiken aan bedrijven om de zakelijke mogelijkheden uit te leggen. Omdat hoogtechnologische mkb’ers hulp nodig hebben bij het begrijpen van de bedrijfskeuzes en -processen die beschikbaar zijn om hun bedrijf concurrerend te houden. Dat betekent het gebruik van moderne technieken om de data en Intellectual Property veilig te houden, en het optimaliseren van alles van ontwerp tot eindassemblage. Om het beste talent te vinden, moet je ook een aantrekkelijk carrièreaanbod bieden.

“We hebben een digitaal innovatiecentrum voor fotonica in Nederland nodig.”

Op grotere schaal spelen digitale hubs zoals PhotonDelta een belangrijke rol in het zichtbaar maken van de fotonische mogelijkheden van deze regio van Europa. Je moet laten zien hoe wat hier in Nederland gebeurt perfect aansluit bij wat er gebouwd wordt in plaatsen als Cork, Berlijn, Dresden, Leuven en Lille.

.

Pixapp – Advanced Photonic Packaging Training Programma

Leer van het Ierse voorbeeld

Ik denk dat het ook belangrijk is om te leren van het Ierse model (PIXAPP) in Cork. Bij Tyndall hebben ze een verpakkingslijn opgezet. Maar wat ze in Cork hebben gemaakt, gaat niet alleen over de technologie. Het gaat om de mensen. Zij zorgen ervoor dat bedrijven die met Tyndall werken goed worden opgeleid door topdeskundigen op het gebied van machines die ze gaan gebruiken. Hoe kunt je zorgen voor een eenvoudige installatie en voor goedkoop onderhoud? Het gebeurt allemaal in een industriële omgeving die uiteindelijk geld moet gaan opleveren, omdat bedrijven commerciële tarieven betalen voor de training.

Academische cursussen hebben hun plaats, maar zelden helpen ze mensen om vaardigheden op te bouwen in business management en industrieel procesontwerp en exploitatie. Als je het op deze manier doet, dan bouw je een technische kernkracht op die precies de juiste kennis heeft om te slagen in deze nieuwe bedrijven. Als je gewoon op de academische wereld vertrouwt, bouw je misschien wel een talentenpool op, maar andere hightechsectoren zullen die knowhow gewoon wegstropen. Ze hebben veel diepere zakken en een dringende behoefte aan technisch talent.

Er zijn andere voorbeelden van waar dit werkt. AIM Photonics Academy in Cambridge Massachusetts werd vooral opgericht om mensen uit de industrie op te leiden. Maar ik denk dat Europa een voordeel heeft ten opzichte van de VS. In Europa zijn we altijd blij als mensen naar onze laboratoria en faciliteiten komen en schouder aan schouder met ons werken. Met alle zorgen over de nationale IP-bescherming en visumvoorschriften is de praktische kennisoverdracht in de VS tegenwoordig veel ingewikkelder.

Verleden jaar zei u dat kleinere mkb’ers in de fotonica hun productie in een veel vroeger stadium van hun groeicurve moeten automatiseren. Is dat nog steeds waar?

Absoluut. Door de groeiende concurrentie tussen fabrikanten van assemblagemachines zoals Ficontec, Palomar en AMICRA is de prijs van het eindproduct aanzienlijk gedaald. Wat vroeger miljoenen euro’s kostte, ligt nu rond de tweehonderdduizend euro en de machine heeft slechts één keer per jaar onderhoud nodig.

Op dit moment zijn zij de belangrijkste klanten van de automatiseringsmachines in Azië. Ze vliegen hun machines naar China, Japan, Hong Kong en Singapore, waar het duidelijk is dat deze high-tech bedrijven hun processen automatiseren om de kosten te verlagen. We zouden dus hetzelfde moeten doen, want het is nu of nooit.

En wat prikkelt u in toepassingsgebieden waar fotonica een maatschappelijke impact kan hebben?

Ik ben zeer enthousiast over LIDAR, maar niet alleen vanwege de automarkt. We moeten ook verder kijken. EPIC-leden hebben het over beelddetectie in de defensie- en ruimtevaartindustrie. Het gebruik van 3D-mapping om de gezondheid van de infrastructuur of de luchtkwaliteit te controleren met het oog op de naleving van internationale verdragen. Er is grote belangstelling voor het combineren van fysieke metingen met nauwkeurige controle van chemische parameters. Op het gebied van 5GPhotonics denk ik dat we veel sneller moeten gaan. De 5G rollout begint te gebeuren. Nokia heeft het al over 6G!

Als het aankomt op het gebruik van fotonica voor het meten van dingen, is Technobis een wereldleider in resolutie. Wat je dus nodig hebt, is een vezel die elke parameter nauwkeurig kan waarnemen, vaak in een zeer uitdagende omgeving (zoals een booreiland of een wolkenkrabber). Hun aanpak loopt ver voor op de concurrentie en ze hebben een aantal unieke IP’s.

Sensoren voor kankers

In de medische wereld heb ik gekeken of er behoefte is aan miniaturisatie, zoals een toepassing die gebruikt kan worden op een artsenpost of zelfs thuis. Sommige van de apparaten zoals draagbare DNA-sequencing die op het World Technology Mapping Forum 2018 zijn besproken, zijn nog ver weg. Misschien komt dat omdat ik me richt op technologieën die in de komende drie jaar gelanceerd kunnen worden. Ik ben in de medische roadmaps nog niet echt een draagbare DNA-sequencer op basis van een geïntegreerde fotonische chip tegengekomen.

Overigen hebben duidelijke roadmaps

“Iedereen moet worden gescreend op kanker en we hebben technologieën die een oplossing kunnen zijn bij de vroege diagnose van borstkanker of apparaten die huidkanker kunnen detecteren. Deze apparaten moeten beschikbaar zijn op de massamarkt.”

Dat is in andere sectoren wel anders. Wanneer je bijvoorbeeld praat met NASA of ESA, kunnen ze zo een roadmap voor de komende 20 jaar laten zien. Je kunt dan direct de plekken zien waar systems-on-a-chip nodig zijn om bestaande systemen te vervangen. Maar als het gaat om medische hulpmiddelen, worden de roadmaps gecompliceerd door klinische proeven en FDA-goedkeuringen. Toch, wanneer het bijvoorbeeld over vroege opsporing van borstkanker gaat, is die markt reusachtig. Een goedkoop apparaat om weefsel te meten en te rapporteren of een beopaalde kankersoort goedaardig is, dat zou fantastisch zijn.

Ik vind het nog steeds vreemd dat we in een wereld leven waar ik gewoon naar Zuid-Afrika kan reizen, mijn smartphone kan pakken en de boodschappen bij mij thuis in Noordwijk kan laten bezorgen. Maar je krijgt geen regelmatige scans op kanker. Toch krijgt één op de drie mensen de komende 50 jaar kanker. Iedereen moet gescreend worden op kanker en we hebben technologieën die een oplossing kunnen zijn voor de vroege diagnose van borstkanker of apparaten die huidkanker kunnen opsporen. Deze hulpmiddelen zouden op de massamarkt beschikbaar moeten zijn.

Wat voor spannends gebeurt er op het gebied van dataopslag?

In de dataopslagbranche zijn we van tape naar DVD’s en SSD’s gegaan. Blijkbaar is de volgende stap het opslaan van informatie in glas waardoor gegevens vele eeuwen bewaard blijven. Kijk maar eens naar archieven, die moeten vandaag de dag niet alleen een enorme hoeveelheden gegevens opslaan, maar ook gegevens uit oude archieven overbrengen en kopiëren. Dat moet ultrasnel, geautomatiseerd en permanent en het blijkt dat licht – de fotonica dus – de sleutel daartoe is. De hoeveelheid gegevens die verwerkt moet worden is mindboggling (in exabytes) en kan alleen met licht worden verwerkt. En dat wordt alleen maar meer.