Nederland loopt op kop in de race om de licht-chip

Techniek

Nederland loopt voorop in het maken van fotonische chips, die werken op basis van licht. Een grote investering moet de pionierspositie verstevigen.

Productie van fotonische chips, in een cleanroom aan de TU Eindhoven. Het spiegelende plaatje op de foto boven is een wafer, een dunne plak halfgeleidermateriaal. Daarop is een groot aantal chips te maken. Foto TU/e

Achter gele, UV-werende ramen werken studenten van de Technische Universiteit Eindhoven in blauwe pakken. Hun haar is bedekt, ze dragen mondkapjes, overschoenen en grote brillen. De studenten etsen en lithograferen met brommende machines chips, millimeters groot. Geen elektronische chips, waar de Eindhovense regio zo bekend om staat, maar fotonische exemplaren. Die werken op basis van licht. Stof is in deze ruimte fataal. Eén stofdeeltje, en zo’n chip werkt niet meer.

Deze fotonische chips zijn het goud in een voorhoedestrijd tussen Nederland, de Verenigde Staten en China. Nederland investeert er de komende jaren bijna een kwart miljard in, zo werd vorige maand bekend.

Foto TU/e

Fotonica is een tegenhanger van elektronica. In plaats van elektronen brengen lichtdeeltjes informatie van A naar B. Maar dan sneller en duurzamer.

In de ontwikkeling lopen de fotonische chips zo’n dertig jaar achter op micro-elektronische exemplaren. Maar fotonica-evangelisten zien een nieuwe revolutie voor zich. Met deze techniek zouden we kanker eenvoudiger moeten kunnen ontdekken, vliegtuigen veiliger maken en internet sneller. Fotonica is nu al te vinden in glasvezelkabels, satellieten om broeikasgassen te meten, computerbeeldschermen, en een simpele variant in zelfscanners van de supermarkt.

„Met licht kan je schakelen, net als met stroom”, legt Ton Backx uit, hoogleraar Industriële Automatisering aan de TU Eindhoven. „Je kan er de intensiteit van regelen, spelen met de golflengte – zoals gebeurt met radiosignalen in wifi.”

En je kunt zo met de lichtintensiteit spelen, zegt Backx, dat je een datastroom krijgt, een reeks 1-en 0-en. „Zo wordt licht als informatiedrager gebruikt.”

Dat is duurzamer dan bij elektronische signalen, zegt Backx. „Door de overal aanwezige elektromagnetische velden geven elektronen noodgedwongen energie af aan hun omgeving. Het versturen van informatie kost daardoor veel meer energie dan bij fotonen.”

Krachten meten

Het lukt bedrijven steeds beter om ingewikkelde toepassingen van fotonica op millimeters grote chips te krijgen. Het Alkmaarse bedrijf Technobis meet met fotonische chips onder meer de krachten op constructies. „Als je materiaal belast, treedt er rek op”, zegt directeur Pim Kat. „Die rek kan je met ingebouwde fotonische chips meten via veranderingen van de golflengte van het licht.” Bij een project met Airbus meten chips krachten op het landingsgestel van vliegtuigen. Met Boeing heeft het Alkmaarse bedrijf ook een project: tijdens het vliegen worden de krachten op helikopterbladen gemeten. „Klassieke optische systemen zijn groot, duur en fragiel”, zegt Kat. „Absoluut niet geschikt om op een helikopter te sleutelen. Onze kastjes met fotonische chips meten duizenden keren nauwkeuriger en zitten in Formule 1-auto’s en superjachten.”

Het Eindhovense bedrijf Smartphotonics is het inmiddels gelukt om een chip van enkele vierkante millimeters te bouwen die methaandeeltjes kan detecteren in adem. Dat geeft informatie over de samenstelling van de darmflora.

In de zorg hebben fotonische chips nauwelijks nog toepassingen, maar er zijn wel hoge verwachtingen. „Lichtgolven hebben een nog kleinere golflengte dan geluidsgolven”, zegt Backx. „Daarmee kun je analyses maken op celniveau. Stel dat we fotonica in de smartphone kunnen stoppen en zo verdachte moedervlekken op de huid analyseren.”

De OCT-scanners die in de medische wereld worden gebruikt voor oogonderzoek, werken door fotonica. Met deze scans kunnen artsen, veel gedetailleerder dan MRI, 3D-beelden maken van weefsel. Alleen zijn de apparaten groot en lomp, en een scan reikt een stuk minder diep het lichaam in. Daarom blijft de toepassing van de apparaten beperkt tot bijvoorbeeld het analyseren van een netvlies.

„Zo’n OCT-scanner kan je niet even in je darm stoppen om te zien of er kanker ontstaat”, zegt Backx. „Maar kleine fotonica zouden we in een katheter kunnen inbouwen.”

Telecomlasers

Waarom is Nederland zo goed in deze techniek? „Philips experimenteerde vanaf de jaren 70 met een soort chip-technologie voor telecomlasers”, zegt voorzitter René Penning de Vries van Photondelta, een publiek-privaat samenwerkingsverband voor fotonica. Via Philips kwam de technologie terecht bij de TU Eindhoven en andere universiteiten, vertelt hij. Studenten en onderzoekers leerden de techniek, en vercommercialiseerden die. „Er wordt al zeker twintig jaar aan gewerkt.”

In de telecomindustrie is fotonica (vooral laserlicht) het meest geprofessionaliseerd. Laserpuntjes ter grootte van enige tientallen nanometers zijn even klein als de golflengte van een elektron. „Lichtdeeltjes en elektronen hebben veel gemeenschappelijke eigenschappen en kunnen energie met elkaar uitwisselen”, zegt hoogleraar Backx. In glasvezelkabels wordt licht dat bestaat uit meerdere golflengten met hoge snelheid door lange vezels van optisch zeer helder glas gestuurd. Uiteindelijk wordt het fotonische signaal weer omgezet in een elektrisch signaal. 5G, de nieuwe generatie mobiele netwerken, leunt op de samenwerking van fotonica en elektronica.

Ook China en de VS investeren honderden miljoenen in de technologie. Omdat Nederland een kleine thuismarkt heeft, is de uitgangspositie niet ideaal, zegt Penning de Vries. Het plan is daarom om op zoek te gaan naar buitenlandse klanten. „Dan weten we wat de precieze eisen zijn en kunnen we ook chipmachinemakers als ASML aan het werk zetten.”

    • Liza van Lonkhuyzen