E-Learning

Ga aan de slag. Succes !


Fotonica

Fotonica

Fotonica wordt een doorbraak-technologie. De truc is dat licht dan niet meer wordt omgezet naar elektriciteit. Dat scheelt in het energieverbruik.

Bij fotonica wordt gewerkt met lichtdeeltjes, in de wetenschap fotonen genoemd. Deze fotonen versterken de elektronische schakelingen op elektronica, zoals bij een microchip het geval is. Bij geïntegreerde fotonica gaat het specifiek om microchips die met lichtsignalen werken. Deze lichtdeeltjes versterken de elektronische signalen, stroom dus, op de  traditionele microchip. Microchips zitten bijvoorbeeld in rekenmachines, smartphones en televisies. Deze chips kunnen signalen gebruiken om berekeningen te maken, informatie op te slaan en het volume te regelen. Led-lampen, lcd-computerschermen, zonnepanelen, of gezichtsherkenning in smartphones; het zijn allemaal toepassingen van fotonica, de wisselwerking tussen licht en elektriciteit.Al die toepassingen zorgen voor een forse groei van de markt. In 2015 was fotonica wereldwijd al goed voor een omzet van 445 miljard euro. Nederland nam daarvan zo'n 9 miljard euro voor zijn rekening. Een groot deel van die omzet komt op het conto van chipmachinebouwer ASML. Daarnaast zijn er nog zo'n 290 bedrijven in Nederland actief met fotonica. Nederland is altijd een voorloper geweest op het gebied van fotonica. Dat komt omdat Philips hier al vroeg mee bezig was. Nieuw is dat Brabant nu de technologie van de elektronische chips gebruikt om fotonische chips te maken.

Inmiddels worden de optische chips, die informatie overdragen met licht in plaats van elektronen, gezien als het 'nieuwe goud' van Zuidoost-Brabant. Dankzij deze chips hebben we straks een nog sneller internet, vernuftige sensoren die voor betere gezondheid kunnen zorgen, precisierobots, slimme meetinstrumenten en zelfrijdende auto's. De verwachting is dat fotonica op termijn een markt wordt van meer dan honderd miljard euro. De EU heeft fotonica bestempeld als een van de vijf technologieën met de grootste economische potentie.

Eindhovense Institute for Photonic Integration en de onderzoeksschool COBRA, die onlangs is opgegaan de nieuwe koepelorganisatie Photon Delta om partijen rondom fotonica bijeen te brengen en meer bedrijvigheid op het gebied van fotonica te creëren. Deze innovatieve sector zou in Nederland in 2025 zo'n vierduizend nieuwe banen kunnen opleveren, is de schatting. SMART Photonics, een spinoff van de TU/e en Philips, is begonnen met industriële productie van optische chips. En EFFECT Photonics, start-up van de TU/e, ontwikkelt datacommunicatieapparatuur gebaseerd op optische chips.

Optische chips zijn vooral goed in het oversturen van grote hoeveelheden informatie. We maken er al gebruik van in glasvezelcommunicatie waarin data worden overgebracht met lichtsignalen. Licht heeft kleur. Met een elektrisch signaal kun je één breedbandig kanaal overzenden, maar met licht kunnen we wel honderd kleuren naast elkaar gebruiken. Met iedere kleur kunnen we een breedbandig signaal transporteren; dus heb je veel meer capaciteit. Er zijn ook toepassingen die je met licht goed kan doen maar elektrisch niet. Zo werken we eraan om met licht scans te kunnen maken tot een paar millimeter in de huid of ander weefsel. Hiermee kunnen we in een vroeg stadium afwijkingen zoals kanker ontdekken. Een mogelijke toepassing is een pil die je inslikt en die van binnenuit een scan van je darmwand kan maken. De optische chips zijn zo klein dat je ze samen met een batterij in een pil van een bij drie centimeter kunt stoppen.

Men werkt aan een chip die objecten ziet en de afstand tot die objecten kan meten. Daarvan zouden er in iedere auto een of meerdere kunnen komen. Er worden zo'n honderd miljoen auto's per jaar geproduceerd, dus dat gaat om enorme aantallen. Die chips zouden hier in de regio gemaakt kunnen worden als er tegen die tijd een voldoende grote fabriek is. Dat zou een geweldige boost zijn voor de regio.

fotoelekrisch2

Optische chips (uit Photon Delta Brabant ?).

Voordelen

Licht is vele malen sneller dan elektriciteit. Een microprocessor die met lichtdeeltjes werkt is daardoor vele schakelingen sneller dan een traditionele processor. Daardoor kan er veel meer data sneller verwerkt worden.

Dataverkeer

De capaciteit van het huidige internet is straks te klein vanwege de groeiende omvang van het wereldwijde dataverkeer. Alleen met fotonische microprocessoren kan dataverkeer ook in de toekomst goed worden verwerkt. Dat zal tegelijkertijd voor een daling van het energieverbruik zorgen. Fotonica maakt namelijk slechts gebruik van één procent van de elektriciteit die elektronica gebruikt.

Mogelijkheden

De Brainport regio rond Eindhoven investeert al jaren in alle kansen en mogelijkheden die fotonica biedt. Hierdoor heeft Brabant een wereldwijde voorsprong op het gebied van deze technologieën. Verdere investeringen moeten ervoor zorgen dat de regio zijn nummer één-positie op het gebied van fotonica behoudt én vergroot. Concurrentie uit Amerika en Azië moet zo op afstand gehouden worden.
ASML maakt machines die de kleinste chips ter wereld kunnen maken maar het gaat naar optische chips. Chips niet op elektriciteit maar op licht. Dat is geen unicum, maar nergens ter wereld zijn wetenschappers erin geslaagd zoveel functies op de chip samen te brengen. Daardoor kan hij veel meer dan de huidige fotonische toepassingen, terwijl hij én veel kleiner is, én veel goedkoper en minder energie verbruikt.

Fotonica

In 2020 verwacht men al dat al veel apparaten, via deze chips, verbonden worden aan het internet. Het gaat over meer dan honderd miljard toepassingen. Een enorme markt. Het nieuwe goud.

Vandaar dat men in Brabant begonnen is met de "Photon Delta" want naast het Nat Lab en ASML is ook Philips een grote speler op het gebied van licht. Met dit PhotonDelta plan hebben kennisinstellingen, bedrijven en overheden zich geschaard achter de ambitie om in 2026 met ten minste 25 bedrijven een omzet van € 1 mld. en 4000 arbeidsplaatsen te realiseren binnen een ecosysteem dat verdere bedrijvigheid en werkgelegenheid voor Nederland genereert. Brabant gaf er in 2019 235 miljoen subsidie voor.
Dia130Dia131

Duizend keer efficiëntere nano-led opent deur naar snellere microchips

Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nano-led weten te ontwikkelen die duizend keer zo efficiënt is als zijn voorgangers, en die gigabits per seconde aankan. Ze publiceren hierover in het online journal Nature Communications.


fotonica

Duizend keer efficiëntere nano-led opent deur naar snellere microchips. Cruciaal is de lichtbron, die de data omzet in lichtsignalen. Die moet klein genoeg zijn om te passen in de microscopische structuren van microchips. Tegelijkertijd moet het uitgangsvermogen en de efficiëntie goed zijn. Dat laatste is een uitdaging, want kleine lichtbronnen met vermogens van nano- of microwatts, bleken tot nu toe bijna altijd erg inefficiënt.

Onderzoekers aan de TU Eindhoven hebben nu een led ontwikkeld van slechts enkele honderden nanometers groot, met een geïntegreerd lichtkanaaltje (waveguide) voor transport van het lichtsignaal. Deze geïntegreerde nano-led doet het qua efficiëntie zeker duizend keer beter dan de beste elders ontwikkelde varianten. De winst halen de Eindhovense onderzoekers vooral met de kwaliteit van de geïntegreerde koppeling van de lichtbron (de led) en het lichtkanaaltje. Ze verspillen daar veel minder licht en krijgen dus veel meer licht in het kanaaltje. De efficiëntie van de nieuwe nano-led ligt nu nog tussen de 0,01 procent en 1 procent, en de onderzoekers verwachten dat ze daar binnenkort ruim boven zitten, dankzij een nieuwe productiemethode.

Gigabits per seconde  Een andere belangrijke eigenschap van de nieuwe nano-led is dat hij is geïntegreerd in een silicium ondergrond, op een membraan van indiumfosfide. Silicium is hét basismateriaal voor microchips, maar het is niet geschikt voor lichtbronnen, en dat is indiumfosfide wel. Verder blijkt uit testen dat het nieuwe element elektrische signalen razendsnel omzet in optische signalen en datasnelheden aankan van meerdere gigabits per seconde.

fotoellectrisch

Maar de ontwikkeling is nog niet ver genoeg om overgenomen te worden door de industrie, en de benodigde productietechnologie moet nog van de grond komen.  Het onderzoek maakt deel uit van het Zwaartekrachtprogramma ‘Research Centre for Integrated Nanophotonics’ dat aan de TU/e wordt uitgevoerd. Het Institute for Photonic Integration van de TU/e is een van de meest toonaangevende onderzoekscentra wereldwijd op gebied van geïntegreerde fotonica.  Bron: TU/e 2017-2

On-chip microgolflaser (2017)

Zo’n chip is veelbelovend in toepassingen zoals een schaalbare quantumcomputer. TU Delft ontwikkelde een on-chip microgolflaser gebaseerd op een fundamenteel aspect van supergeleiding: het ac Josephson effect. Op de chip is een Josephson junctie op nanoschaal gekoppeld aan een supergeleidende holte. Door met een batterij een kleine gelijkspanning aan te leggen over de junctie kunnen er Cooper paren tunnelen door de junctie waardoor microgolflicht vrij komt. De supergeleidende holte zorgt voor versterking van dit licht, waardoor uiteindelijk een coherente straal microgolflicht uit de chip komt.

Andere fotonica toepassingen

De toepassing van fotonica is zeer breed. PhotonDelta heeft daarom zes gebieden geselecteerd waarin Nederland kan uitblinken.

Gezondheid is zo'n cluster. Fotonica wordt toegepast in massaspectografie, een techniek waarbij met behulp van licht de verschillende stoffen in een materiaal worden geanalyseerd. ,Aan de kleur van weefsel kan al veel worden afgelezen over de gezondheid van de patiënt. Bijvoorbeeld of die bloedarmoede heeft. Maar men is ook bezig te onderzoeken of je aan iemands adem kunt 'ruiken' welke ziektes hij of zij heeft. Adem is een reflectie van wat er in je lichaam gebeurt. Men is aan het kijken of je bijvoorbeeld kanker kunt ruiken. Dat ruiken bestaat dan uit fotonica.

Landbouw en de chipindustrie. Via fotonische chips is het mogelijk om precisielandbouw toe te passen. Dat betekent exact op het juiste moment zaaien, bemesten of bijvoorbeeld beregenen. Ook zijn fotonische chips ideaal als meetinstrument in bijvoorbeeld landingsgestellen van vliegtuigen.,Die chips meten heel nauwkeurig eventuele beschadigingen. Dat betekent dat onderhoud of vervanging altijd op de juiste tijd plaatsvindt. Dat bespaart kosten. Zo'n ongeluk als met die brug in Genua had voorkomen kunnen worden als er met fotonische chips gemeten zou zijn.

Ook de wieken van windmolens kunnen op deze manier nauwkeurig in de gaten worden gehouden. Dat is belangrijk, want zeker voor windparken op zee is controle op afstand handig.

Nederland heeft, ook al met dank aan Philips, een grote chipindustrie. Ook op het gebied van fotonische chips liggen er grote kansen. Smart Photonics in Eindhoven is een van de voorlopers bij de productie van fotonische chips. Het bedrijf produceert die in opdracht van derden. Ze verdubbelen jaarlijks in omzet en personeel.

Massamarkt

De grote sprong voorwaarts zal de komende jaren plaatsvinden is de verwachting. Hightechproducten beginnen bij hightechbedrijven. De klanten zijn lucht- en ruimtevaartbedrijven en bijvoorbeeld bedrijven in medische technologie. Die hebben het geld om de producten en toepassingen te ontwikkelen.

Voor die klanten maakt Smart Photonics op de High Tech Campus in Eindhoven de chips. Later komen daar simpeler varianten van die gebruikt kunnen worden voor de consumentenmarkt. Dan komt de massamarkt op gang. Zo ging het eerder ook bij de markt voor 'gewone' chips.