Wat is geïntegreerde fotonica?

Het gebruik van licht

Vrijwel iedereen maakt al gebruik van fotonica. Het bekendste voorbeeld is de glasvezelkabel, waarin data niet met elektronische signalen wordt overgebracht, maar met lichtsignalen. Dat is hét kenmerk van fotonica: het gebruik van licht, vooral om data te verwerken of te verzenden, maar ook voor andere toepassingen, zoals in sensors.

Bij het Institute for Photonic Integration staat ‘geïntegreerde fotonica’ centraal. Hierbij gaat het om microchips op basis van lichtsignalen, die worden ingebouwd in apparaten. In de toekomst zullen zich in vele apparaten fotonische chips bevinden, in ons huis, in onze auto’s, en ook in mobiele apparaten.

Geïntegreerde schakelingen (microchips) waren tot vrij recent uitsluitend elektronische chips, die werken met elektrische signalen, en die signalen bestaan uit elektronen. In geïntegreerde fotonische schakelingen worden geen elektronen gebruikt maar fotonen, vandaar de naam fotonica. Vergeleken met elektronen zijn fotonen uiterst licht, wat mogelijkheden biedt om met veel minder energie veel meer informatie te verwerken.

De beloftes zijn enorm

Fotonische chips zijn microchips die allerlei bewerkingen kunnen doen op basis van licht. Bijvoorbeeld een chip die op basis van verandering in een teruggekaatst lichtsignaal in een glasvezel, verwerkt in een vliegtuigvleugel, nauwkeurig berekent hoe groot de spanning is op elk punt van de vliegtuigvleugel. De chip waarschuwt lang voordat er scheuren ontstaan waar er precies extra aandacht nodig is.

De ontwikkeling van fotonica vraagt veel wetenschappelijk onderzoek, want het is niet gemakkelijk om licht op het minuscule nano-niveau zo te manipuleren dat we er allerlei nuttige bewerkingen mee kunnen doen. Wetenschappers verleggen continu grenzen om fotonica mogelijk te maken, want de beloftes van fotonica zijn enorm.

In de huidige datacentra is de micro-elektronica een ernstig beperkende factor voor de ontwikkeling van de datasnelheid in de talloze verbindingen, waardoor het energieverbruik stijgt. Fotonische chips daarentegen kunnen een veel hogere datasnelheid behalen dan nu mogelijk is met de elektronische systemen; fotonische verbindingen kunnen in grote massa zonder storing functioneren. Fotonische chips gaan dan ook voor een deel de micro-elektronische chips vervangen, maar zeker niet volledig.

Ook zijn fotonische chips, en de systemen die ermee gebouwd worden, veel energiezuiniger dan hun micro-elektronische voorgangers. Daardoor kunnen apparaten langer werken op hun batterijen, en datacentra kunnen veel energie besparen.

Verder is fotonica geschikt om allerlei eigenschappen van materialen en weefsels te meten, waardoor nieuwe toepassingen voor bijvoorbeeld diagnostiek in de gezondheidszorg, de procesindustrie, veiligheid, mobiliteit en de agro-food mogelijk worden.

Daarnaast is de verwachting dat bij de verdergaande ontwikkeling van geïntegreerde fotonica allerlei nieuwe toepassingen gaan ontstaan, op vele nieuwe terreinen.

Vele miljarden

Het is de verwachting dat de markt voor geïntegreerde fotonica, en de producten die erop gebaseerd zijn, op termijn een markt wordt van honderden miljarden euro's. De Europese Unie heeft fotonica dan ook bestempeld als een van de vijf ‘Key Enabling Technologies’ (http://ec.europa.eu/growth/industry/key-enabling-technologies/index_en.htm), technologieën met de grootste economische potentie en het grootste belang voor maatschappelijke uitdagingen.

Momenteel zijn fotonische chips nog duur, doordat de technologie qua toepassing nog in het beginstadium is. In datanetwerken worden ze daarom nu alleen toegepast op cruciale centrale plaatsen, waar micro-elektronica al ernstig tekort schiet. De verwachting is echter dat de ontwikkelingskosten en productieprijzen sterk zullen dalen wanneer de fotonische chips meer en meer gebruikt worden. Daardoor zullen de voordelen ervan ook in andere toepassingen beschikbaar gaan komen.