Nieuw R&D-centrum temt het licht in fotonische chips

Door: Redactie - 2 juni 2021 |

Een nieuw toegepast R&D-centrum PITC moet de ontwikkeling van chiptechnologie versnellen richting industrie en applicaties

Fotonische chips, die gebruik maken van licht in plaats van elektriciteit, zijn de toekomst. Ze maken de weg vrij voor zelfrijdende voertuigen, innovaties in de gezondheidszorg en energiezuinige data- en telecommunicatie. Maar de brug van academisch onderzoek naar de industrie is niet zomaar geslagen. De TU Eindhoven, Universiteit Twente, TNO en PhotonDelta lanceren daarom het Photonic Integration Technology Center (PITC), een R&D-centrum die focust op het versnellen van de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica-technologie.

Onze huidige technologie van elektronische chips bereikt langzaam maar zeker zijn plafond. De beperkende factor is weerstand, die wordt omgezet in warmte als de elektronen door de koperen leidingen tussen transistoren in chips reizen. Die weerstand verzwakt het signaal terwijl het door het materiaal gaat.

In tegenstelling tot elektronen ervaren lichtdeeltjes, fotonen, door hun gebrek aan massa en lading geen weerstand. Bovendien heeft licht eigenschappen waardoor het veel meer informatie kan dragen. De ideale techniek dus om de data-overdacht in én tussen chips te versnellen. Mits je het licht op de juiste manier weet te temmen.

Van lab naar fab

De TU/e zet dan ook al jarenlang flink in op deze lichttechniek, en loopt wereldwijd voorop in onderzoek naar geïntegreerde fotonica. En hoewel TU/e bekend staat om haar nauwe samenwerking met de industrie, kan de stap van lab naar fabriek nog wel een extra push gebruiken. Vandaar het nieuwe R&D-centrum PITC.

Sylwester Latkowski, TU/e-onderzoeker én de gloednieuwe wetenschappelijk directeur van het centrum: “Dit R&D-centrum moet een brug slaan om fotonische chips écht naar de markt te brengen. We ervaren namelijk een kloof als het gaat om het volwassen worden van de techniek. Als onderzoekers werken we tot een vergevorderd prototype, maar de industrie heeft niet de middelen om daarmee verder te gaan,” legt Latkowski uit.

Weten wat de markt nodig heeft

Hij vervolgt: “Ons rolmodel is imec, de R&D-hub voor nano- en digitale technologieën voor de halfgeleider- en elektronica-industrie. Bij hen zie je echt hoe een groot centrum voor onderzoek en ontwikkeling zijn waarde heeft in de keten. En dat zo’n overkoepelend centrum prima bestaat naast de al bestaande instituten, start-ups, bedrijven, grote industrie en universiteiten.”

Gelukkig is ons werk geen kwestie van gissen. Latkowski: “We weten precies wat we moeten doen, wat de vervolgstappen zijn en hoe we die moeten aanpakken. De bandbreedte, de energieconsumptie, de prijs en het tijdspad.”

“Daarin zijn we ook zo anders dan de academische wereld. We zijn niet uit op papers of het begeleiden van PhD-studenten. We zijn puur gericht op wat de industrie zoekt, wat de volgende generatie van producten en toepassingen nog nodig hebben én op welk moment welk product gewenst is,” legt hij uit.

En dan gaat het over een hele andere schaal dan de onderzoekers gewend zijn. Latkowski: “Succes wordt op een hele andere manier gedefinieerd, en dat vraagt een compleet nieuwe denkwijze. Wat voor academici en sommige bedrijven een groot volume is, zeg duizenden chips, is voor de industrie heel klein. Zij willen miljoenen chips per maand van de lopende band zien rollen om succesvol te zijn.”

Silicium of indiumfosfide?

“Elektronische chips en meerdere vormen van fotonische chips zullen de komende vijf tot tien jaar naast elkaar gebruikt worden”, voorspelt Latkowski. Het R&D-centrum zet dan ook vol in op zogenoemde hybridisatie; het integreren van een variëteit aan fotonische chips naast elektronische. Want elk materiaal heeft zijn eigen sterke punten.

Daarbij verwijst hij naar de verschillende materialen waaruit fotonische chips kunnen zijn opgebouwd. Een bekend materiaal waar TU/e-onderzoeker Kevin Williams en zijn groep aan werken is bijvoorbeeld indiumfosfide (InP), een materiaal dat zelf licht kan genereren, moduleren én versterken. Maar waar nog geen hele grootschalige infrastructuur voor ontwikkeld is.

Chips gebaseerd op silicium kunnen makkelijker geïntegreerd worden met de huidige fabricageprocessen voor elektronica. Bijvoorbeeld de chips op basis van siliciumnitride (Si₃N₄) waar Twente hard aan werkt. Of de volledige silicium chips, waar TU/e-onderzoeker Erik Bakkers en zijn groep aan werken, en waarvan ze laatst aantoonden dat silicium tóch zelf licht kan uitzenden.

Zelfrijdende auto

Dat er een markt is voor kosteneffectieve geïntegreerde fotonische chips blijkt als we naar zelfrijdende auto’s kijken. De camera- en LIDAR-modules in autonome voertuigen werken nu bijvoorbeeld al op fotonica. Zij bewaken de omgeving en laten het voertuig automatisch remmen en versnellen.

Maar een dergelijke LIDAR-sensor van bijvoorbeeld een autonome Google-auto, kan tot wel 60.000 dollar kosten. En een autonome auto heeft minimaal zes van dergelijke sensoren nodig om de omgeving met voldoende detail te kunnen waarnemen zonder daarbij fouten te maken.

Latkowski: “De auto-industrie heeft berekend dat de fotonische componenten maximaal 50 dollar mogen kosten om een kosteneffectieve oplossing voor de automarkt te kunnen zijn. Geïntegreerde fotonica kan dan een game-changer zijn. Het biedt veel voordelen ten opzichte van fotonische systemen gebaseerd op discrete componenten, denk bijvoorbeeld aan grootte, stabiliteit, prestaties, betrouwbaarheid en kosten.”

Volledige integratie, waarin fotonica en elektronica samen op één chip zitten, is de volgende stap. “En pas daarna kunnen de fotonica-chips steeds meer overnemen, als de productiekosten steeds lager worden,” concludeert Latkowski.

Bron: TU/e