Hoe pionieren met een blauwdruk voor chips Eindhoven koploper maakte in fotonica

12 september 2021

Onderzoekers Meint Smit en Weiming Yao spreken over de uitdagingen, de toekomst en het Eindhovense succes van fotonica.

Meint Smit (links) en Weiming Yao met een wafer van indiumfosfide, de basis voor de Eindhovense fotonische chips. Foto: Angeline Swinkels

De één pioniert al veertig jaar en wordt gezien als een van de grondleggers van de fotonische chip. De ander, een pionier van de huidige tijd, probeert met fotonica een vernieuwende richting in te slaan. We brachten ze samen, emeritus hoogleraar Meint Smit en jong talent Weiming Yao, voor een gesprek over de uitdagingen in de fotonica toen en nu. Over geloven in je visie, competitie onder wetenschappers en hoe altijd alles een factor pi meer tijd kost dan je denkt.


POWER TO THE PIONEERS

De TU/e bestaat 65 jaar en daarom leggen we in dit lustrumjaar een link tussen het verleden, het heden en de toekomst. In een reeks dubbelinterviews brengen we de pioniers van toen en nu bij elkaar; pioniers die weliswaar in een andere tijdsgeest opgroeiden, maar wel een gemeenschappelijke passie voor een bepaald vakgebied delen. Hoe kijken zij aan tegen de (wetenschappelijke) ontwikkelingen van toen en nu? Wat zijn de overeenkomsten, en wat de verschillen? In de vorige delen spraken we met pioniers van duurzaam rijden en robotica

 

Wie dit artikel leest maakte – waarschijnlijk onbewust – gebruik van een uitvinding die Meint Smit bijna veertig jaar geleden deed. Officieel heet het een Arrayed Waveguide Grating (AWG): een optisch componentje dat een essentiële rol speelt in het maken van een digitale verbinding, of dat nu online is of een telefoongesprek.

Het zorgt er simpel gezegd voor dat lichtsignalen met verschillende kleuren verstuurd kunnen worden door een enkele optische vezel (fiber). “Aan de zendkant ‘combineert’ het de kleuren licht en bij de ontvanger haalt het ze weer uit elkaar zodat het signaal kan worden verwerkt”, legt Smit uit met ingehouden trots.

Dankzij dit ‘kleurenspectrum’ kunnen we nu tientallen malen meer informatie versturen door een glasvezel, en dus gebruiken mensen overal ter wereld de vondst van Smit om te communiceren.

Meint Smit (links) en Weiming Yao in gesprek. Foto: Angeline Swinkels

Visionair

Het zegt genoeg over de invloed die Smit, tot drie jaar geleden professor en leider van de onderzoeksgroep Photonic Integration, heeft gehad op de ontwikkeling van optische communicatie, ofwel fotonica. Een icoon in zijn vakgebied. Een visionair ook vooral, die vroeg inzag dat de route naar succes met fotonische chips lag in het ontwikkelen van een gestandaardiseerd proces dat voor iedere ontwikkelaar te gebruiken is.

Weiming Yao is de pionier van deze tijd, zou je kunnen zeggen. Waar Smit reeds bijna veertig jaar actief was in het veld hoorde de jonge, van oorsprong Duitse onderzoeker pas voor het eerst over optische communicatie, tijdens zijn bacheloropleiding in Berlijn. “Dat was opwindend”, zegt Yao. “Ik zag al snel dat dit een veelbelovend veld voor de toekomst zou zijn, waar ik me in wilde ontwikkelen.” Hij zou later in Smits groep komen werken (Smit: “Het was direct duidelijk dat het een erg slimme jongen was.”) en promoveerde vier jaar later in diens groep.

Met een prestigieuze Veni-beurs probeert Yao nu fotonica te gebruiken in een nieuwe richting, één die men jaren geleden niet had kunnen bedenken: kunstmatige intelligentie. Zijn doel is om kunstmatige neurale netwerken na te bouwen op een fotonische chip.

Oplossen maatschappelijke problemen

Fotonische chips dus. De meeste mensen zullen er tot een jaar of tien geleden nog nooit van hebben gehoord. Maar dat verandert snel. “Fotonica is bezig een revolutie te veroorzaken, vergelijkbaar met wat de micro-elektronica veroorzaakte in de jaren 70”, denkt Smit.

“Zonder fotonica zou de coronapandemie een veel grotere negatieve impact op onze samenleving hebben gehad”

Twee problemen in het hedendaagse dataverkeer maken van fotonica een grote belofte: de huidige micro-elektronica loopt tegen zijn limieten aan, het kan niet veel kleiner en sneller. Daarnaast moet het energieverbruik drastisch omlaag als onze informatiemaatschappij zo exponentieel blijft groeien.

Communicatie met licht heeft als voordeel dat je veel meer informatie kunt versturen dan met elektrische signalen, en met een veel lager energieverbruik.

Fotonica is er al, voor de duidelijkheid. “Misschien realiseert niet iedereen zich dat, maar fotonica is nu al bijna altijd een onderdeel van de communicatie. Of het nu het streamen van een video via 5G is of wanneer je iemand belt; uiteindelijk gaan de signalen door optische glasfibers”, zegt Yao.

En volgens Smit bewees fotonica het afgelopen anderhalf jaar specifiek zijn waarde. “Zonder fotonica zou de coronapandemie en veel grotere negatieve impact op onze samenleving hebben gehad”, zegt hij. "We zouden niet de capaciteit hebben van het internet voor al die onlinecommunicatie.”

De mogelijkheden van optische chips zullen zich niet tot de data en telecomwereld gaan beperken volgens beiden. In tal van gebieden kunnen ze maatschappelijke uitdagingen helpen oplossen: van medische beeldvorming tot autonome auto’s en van slimme materiaalsensoren in bruggen en vliegtuigen tot de basis voor smart cities.

Neuromorphic

Volgens Yao zullen fotonische chips bovendien op tal van plaatsen opduiken waar je nu nog niet aan denkt. “Dat was met elektronische chips ook het geval, die gebruiken we nu ook voor toepassingen die we tien jaar geleden nog niet kenden”, zegt hij. “Een groot voordeel van een fotonische chip zijn de mogelijkheden voor hoge snelheid en energie-efficiëntie, dat opent tal van nieuwe deuren.”

Weiming Yao: "Een groot voordeel van een fotonische chip zijn de mogelijkheden voor hoge snelheid en energie-efficiëntie, dat opent tal van nieuwe deuren.” Foto: Angeline Swinkels

Zijn eigen onderzoek is daar een treffend voorbeeld van. Hij richt zich op ‘neuromorphic computing’, waarbij berekeningen gedaan worden met technologie die is geïnspireerd door ons eigen brein. “De uitdaging hier is de grote rekenkracht die nodig is en de snelheid waarmee dit moet gebeuren”, legt hij uit.

Neem het spel Go, waarvoor Google in 2016 een algoritme wist te trainen dat beter was dan menselijke spelers. Yao: “Het kostte enorm veel tijd en energie om dit programma te trainen op elektronische hardware. Ik denk dat zulke taken met op fotonica gebaseerde neurale netwerken in de toekomst veel sneller en efficiënter zouden kunnen.”

De wet van pi

Nederland, en de regio Brainport in het bijzonder, loopt wereldwijd voorop in fotonische chips. Dat is voor een groot deel te danken aan het werk van Smit en zijn team. Begin jaren tachtig start hij als assistent in een nieuwe onderzoeksgroep in Delft met pionieren in dit nieuwe vakgebied.

“Dat je fotonica kon integreren op een chip was toen een vrij nieuw concept, er was weinig over bekend”, herinnert hij zich. “Maar omdat we zagen dat de micro-elektronica op dat moment een grote vlucht begon te nemen, dachten we dat met fotonica ooit hetzelfde zou kunnen gebeuren.”

“Iets lijkt op het eerste gezicht misschien makkelijk uitvoerbaar, maar het duurt altijd langer dan je denkt”

Smit kijkt op de jaren tachtig terug als een opwindende periode. “Het was creatief. Ik wist vrij goed wat ik wilde realiseren, maar hóe dat te doen was de uitdaging. Er waren nog weinig wetenschappelijke papers om uit te kunnen putten. Dus je probeerde zelf van alles uit.”

Toen leerde hij direct een van de belangrijkste lessen als pionier: je bent altijd te optimistisch. “Iets lijkt op het eerste gezicht misschien makkelijk uitvoerbaar”, grinnikt hij, “maar het duurt altijd langer dan je denkt”.

Meint Smit: Ik wist vrij goed wat ik wilde realiseren, maar hóe dat te doen was de uitdaging. Je probeerde zelf van alles uit.”

“Je vergeet dat als een van je machines kapot gaat je een paar maanden vertraging oploopt. En als je net die speciale schroefjes nodig hebt die niet meer op voorraad zijn heb je weer een paar maanden vertraging. Als je het dan de eerste keer eindelijk maakt werkt het niet en ben je veel tijd kwijt om het probleem te vinden. En soms heb je de pech dat je weer helemaal opnieuw moet beginnen.”

Smit spreekt van ‘de wet van pi: de tijd dat iets daadwerkelijk kost is een factor pi (ongeveer drie) groter dan de tijd die je denkt dat het kost aan het begin. Denk je dat iets in een jaar tijd realiseerbaar is? Dan wordt dat eerder ruim drie jaar. Smit: “Voor onervaren mensen is het zelfs pi kwadraat, bijna een factor tien. Dat gold toen, maar dat geldt nu nog steeds.”

Yao moet het schoorvoetend bekennen. “Toen ik begon in Eindhoven als promovendus was het inderdaad pi kwadraat voor mij. Tegenwoordig is het eerder pi. Het zit vooral in de implementatie. Alle details die hierbij een rol spelen zie je makkelijk over het hoofd. Er is zoveel complexe infrastructuur nodig om onderzoek te doen, en al die componenten hebben goede zorg nodig. Daar denk je bij de start meestal niet aan.”

Concreet voorbeeld van de wet: Yao hoopte binnen een jaar zijn neuron op een chip te realiseren. “Maar we zijn nu al anderhalf jaar verder. Al zijn we er nu écht dichtbij”, lacht hij.

Bouwen van de bouwstenen

Terug naar het pionieren van Smit. Na ruim tien jaar werken aan diverse componenten kon zijn groep, midden jaren negentig, beginnen met het integreren van grotere aantallen componenten op een chip. Om dat werkend te krijgen kostte nog eens tien jaar.

Smit: “We wilden tot een soort basisproces komen, van waaruit je allerlei verschillende dingen kunt maken, zoals een sensor of een ontvanger." Foto: Angeline Swinkels

In die tijd – zijn groep is intussen verhuisd naar Eindhoven – doet hij een inzicht op, dat later cruciaal zou blijken. Voor elke functie waarvoor ze een chip willen gebruiken moet het hele productieproces worden aangepast om de technologie te optimaliseren. Dat gaat niet werken, realiseert hij zich. Voor grootschalige toepassingen kost elk van deze processen jaren om volwassen te worden, dat gaat uiteindelijk tientallen miljoenen euro’s per proces kosten.

Hij kiest daarom een andere route, die van standaardisatie. “We wilden tot een soort basisproces komen, van waaruit je allerlei verschillende dingen kunt maken, zoals een sensor of een ontvanger”, zegt Smit. Zo ontwikkelde hij een soort bibliotheek van fundamentele ‘bouwstenen’ waarvan we heel precies wisten hoe je ze moest maken. “Deze bouwstenen combineerden we vervolgens met elkaar en zo kreeg je weer nieuwe, complexere bouwstenen”, legt Smit uit.

Stap voor stap werkten Smit en zijn collega’s zo aan optische chips met steeds complexere functies, inclusief de daaromheen benodigde infrastructuur, zoals meetinstrumenten en ontwerpsoftware. Zo ontstond in Eindhoven een gestandaardiseerd productieproces om met een beperkt aantal bouwstenen een groot aantal verschillende functies te realiseren.

Smit stuitte echter op veel twijfels over deze aanpak. “Mensen dachten dat het nooit zou werken, dat we teveel performance zouden inleveren als we al deze bouwstenen in een proces wilden integreren”, blikt Smit terug. “En vanuit de natuurkunde was men bang dat deze aanpak de ontwerpvrijheid teveel zou beperken. Dat was ook zo; wij leverden inderdaad een deel van de ontwerpvrijheid in, maar we kregen daarvoor terug de veel grotere complexiteit van fotonische chips die mogelijk was in een doorontwikkeld en stabiel gestandaardiseerd proces.”

Yao en Smit in de cleanroom van 800 m2 groot die in 2002 specifiek voor het onderzoek aan fotonische chips werd gebouwd. Foto: Angeline Swinkels

Smit hield vol en kreeg, na tien jaar hard werken, zijn gelijk. “In 2015 konden we demonstreren dat het écht werkte”, vertelt hij trots. Het kostte tien jaar om iedereen te overtuigen, maar intussen zien veel mensen in dat dit de way to go is voor complexe integratie, beaamt ook Yao. “Zo zie je nu ook grote, industriële partners, die eerder werkten met gespecialiseerde processen, overgaan naar een ‘foundry model’.”

Fabriceren van de fabriek

Een foundry. Dat is inderdaad wat in Eindhoven ontstond; een soort openbare fabriek voor de bouwstenen van fotonische chips die ánderen konden gebruiken als basis om op voort te bouwen, een belangrijke zet van Smit. Eindhoven speelde zodoende een cruciale rol in het leggen van het fundament van de nieuwe technologie.

“Een ontwerper tovert nu met één muisklik een component tevoorschijn met een complexiteit waar we twintig jaar geleden alleen maar van konden dromen”

“Mensen konden hun ontwerp opsturen en wij combineerden een aantal van deze ontwerpen op één wafer”, zegt Smit. Met zo’n tien academische en industriële partners richtte hij het zogeheten JePPIX-platform op, om zo een ecosysteem voor een foundry te ontwikkelen. “Het idee was om universiteiten en kleine bedrijven toegang te geven tot dure faciliteiten die ze zelf niet konden betalen”, zegt Smit.

Smit: “Het idee was om universiteiten en kleine bedrijven toegang te geven tot dure faciliteiten die ze zelf niet konden betalen." Foto: Angeline Swinkels

Ook Yao merkte tijdens zijn masteropleiding in 2011 wat daar in Eindhoven aan het gebeuren was. “Ik studeerde in Pisa, in Italië, en de groep die daar onderzoek deed aan fotonica had geen eigen productieproces en faciliteiten. Dus stuurden zij hun chipontwerp naar Eindhoven, waar het werd gemaakt en teruggestuurd. Ik vond dat fascinerend en realiseerde me toen dat ik ooit in Eindhoven wilde werken.”

Door de toegankelijkheid van de technologie raakte de ontwikkeling in een stroomversnelling. Commerciële bedrijven konden met praktische toepassingen van fotonica aan de slag. In 2012 werd de spinoff SMART Photonics opgericht – ontstaan uit een samenwerking van de groep van Smit met Philips Optoelectronics – voor de industriële productie van optische chips. Vorig jaar stak de Nederlandse overheid liefst 20 miljoen euro in het jonge bedrijf.

“Tegenwoordig kan een ontwerper met één muisklik een component tevoorschijn toveren met een complexiteit waar we twintig jaar geleden alleen maar van konden dromen en dat zo op een chip zetten”, glundert Smit. In de Brainportregio is intussen sprake van een hecht ecosysteem, waarin bedrijven, startups en kennisinstituten intensief samenwerken, ervaart Yao.

Competitie…

Het pionieren is echter nog niet klaar. Er zijn nog grote uitdagingen voor het veld. De voornaamste heeft te maken met de twee belangrijkste materialen die als basis kunnen dienen voor een chip. Eindhoven en de partners binnen het JePPIX-platform werken met indiumfosfide (InP). “Een materiaal met goede eigenschappen dat uitstekend geschikt is voor optische componenten, zoals lasers en modulatoren”, zegt Smit.

“Ik verwacht dat het veld uiteindelijk richting een situatie gaat waarbij sprake is van heterogene integratie”

Een concurrerend materiaal – silicium – wordt al op grote schaal in de elektronica toegepast en heeft daarom betere productiefaciliteiten. “De hele wereld heeft siliciumfabrieken”, zegt Smit, “die technologie heeft veel verder ontwikkelde apparatuur. Wij gebruiken in onze cleanroom apparatuur die dertig jaar geleden is ontwikkeld voor silicium.”

Maar: silicium heeft als nadeel dat het eigenlijk niet zo geschikt is om met licht te werken, het ondersteunt de belangrijkste optische componenten niet: lasers en optische versterkers. Smit: “Het probleem is simpel: wij hebben een superieur materiaal maar de wafers zijn kleiner en de technologie is nog minder ver ontwikkeld.”

De competitie is er al ruim twintig jaar. Waarbij Smit ondervond dat de silicium-community de publiciteit over fotonische integratie domineerde. “Ze waren er van overtuigd dat silicium de toekomst had, ze waren heel actief in hun promotie.” Het maakte dat Smit soms moeite had om projecten binnen te halen omdat ook sommige reviewers twijfelden aan InP.

Yao: "Het werkt veel beter om de krachten te bundelen en dat je elkaars technologie kunt gebruiken.” Foto: Angeline Swinkels

… en samenwerking

Juist door die competitie is er een zeer hechte samenwerking binnen het InP-veld, ziet Yao. “Het heeft weinig zin om parallel aan elkaar dingen uit te vinden. Het werkt veel beter om de krachten te bundelen en dat je elkaars technologie kunt gebruiken.”

Waar dat naartoe gaat leiden? “Er zullen toepassingen zijn voor alleen indiumfosfide en ook voor alleen silicium, maar een van de grootste uitdagingen voor de komende tijd is om fotonica en elektronica samen te brengen op dezelfde chip”, zegt Smit. “Silicium en indiumfosfide zullen hierbij integreren.”

Ook Yao denkt dat beide velden bezig zijn naar elkaar toe te groeien. “Mensen in siliciumfotonica realiseren zich dat ze ook andere materialen nodig hebben, want met silicium alleen kun je niet alle toepassingen maken. Ik verwacht dat het veld uiteindelijk richting een situatie gaat waarbij sprake is van ‘heterogene integratie’: verschillende materiaalplatforms aan elkaar gekoppeld.”

En daar werken Smit en zijn collega’s nu al aan, met bijvoorbeeld een dun membraan van indiumfosfide bovenop een laag van silicium. Eerder dit jaar lanceerde de TU/e, samen met de Universiteit Twente en TNO, het nieuwe R&D-centrum Photonic Integration Technology Center om de stap van lab naar fab een extra push te geven. Smit: “Er is nog een lange weg te gaan voordat dit commercieel gaat worden.” 

Kortom, laten we niet te vroeg juichen, met de wet van pi in ons achterhoofd. Maar dát die revolutie gaat komen, daar kunnen we Smit intussen wel op vertrouwen.

Barry van der Meer
(Head of Department)

Het laatste nieuws

Blijf ons volgen