Fotonica: kansen voor Nederland in opkomende industrie

Computers die werken met licht: dat klinkt nog erg futuristisch. Toch ziet de overheid de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica en optische systemen als een van de sleuteltechnologieën voor de Nederlandse economie. Waarom werkt licht eigenlijk efficiënter dan elektriciteit? En wat kun je ermee?

De computers en veel sensoren die we nu kennen, werken met elektronen. Maar licht, of liever fotonen, krijgen steeds vaker een rol in computersystemen. Verliep de communicatie tussen computers decennialang door elektriciteitsdraadjes, nu zie je dat glasvezel die rol al grotendeels heeft overgenomen. Een laser zet een elektrisch signaal om in fotonen en stuurt ze door een glasvezel. Aan de andere kant zet een lichtgevoelige chip ze weer om in een elektrisch signaal.

Fotonen hebben grote voordelen ten opzichte van elektronen. Ze zijn gewichtsloos, waardoor het bewerken ervan vrijwel geen energie kost. Fotonen bewegen met de lichtsnelheid, dus veel sneller dan elektronen. Ze kunnen bovendien meer informatie per tijdseenheid vervoeren en geven ook nog eens geen warmte af.

Fotonische chip als co-processor

Recent onderzoek maakt communicatie met licht over steeds kortere afstanden zinvol. “Fotonica komt steeds dichter bij de processorchip”, zegt Martijn Heck, hoogleraar in Eindhoven en gespecialiseerd in onder meer dit raakvlak tussen fotonische en elektronische chips. “Er zijn ook ontwikkelingen om de processor helemaal fotonisch te maken, maar dat betreft voornamelijk nog academisch onderzoek. Dat zou dan een co-processor zijn, want fotonica kan een paar taken, zoals geheugen, niet van elektronica overnemen”

Vooral rond Eindhoven en in Twente werken Nederlandse kennisinstellingen en verschillende startups die daaruit zijn voortgekomen, al jaren aan de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica. Ze hebben zelfs wereldwijd een toonaangevende rol bemachtigd. Lionix uit Enschede maakt bijvoorbeeld al geïntegreerde fotonische chips (Photonic Integrated Circuits of PICs) sinds 2001. “Onze klanten zijn nu nog vooral kennisinstellingen”, zegt Sadoon Al Obaidi, directeur communicatie bij Lionix. Die instellingen doen met deze chips onderzoek naar mogelijke toepassingen, zoals in een kwantumcomputer of voor biomedische diagnostiek. Maar Al Obaidi schetst een reeks aan toepassingen in verschillende industrieën, waaronder datacommunicatie (datacenters), LiDAR (voor autonoom rijden), metrologie en microscopie.

Miljard euro voor ontwikkeling

Smart Photonics, een startup in Eindhoven, specialiseert zich in de productie van fotonische chips op basis van indiumfosfide (InP) waarmee zelfs laserlicht óp de chip kan worden gecreëerd. Dat maakt het makkelijker fotonische chips in grote volumes met een goede opbrengst te produceren, legt Heck uit. In 2023 haalde Smart Photonics 100 miljoen euro op in een financieringsronde.

“Wij kunnen als Nederland op technologisch gebied echt ver vooruit komen en commerciële kansen creëren”, zegt Eelko Brinkhoff, CEO van PhotonDelta, de organisatie die bedrijven helpt fotonische chips en toepassingen sneller te ontwikkelen. “Daar hebben we naast meer publieke en private middelen, vooral ook samenwerking voor nodig. Samenwerking tussen de markt, bedrijven en de kennisinstellingen, maar ook binnen Europa voor het versterken van de technologie en haar toepassingen in de regionale clusters, zonder de concurrentie met elkaar aan te gaan.”

Wij kunnen als Nederland op technologisch gebied echt ver vooruit komen en commerciële kansen creëren.”

Standaardisatie bij het ontwerpen en de productieprocessen is een van de actiepunten waar PhotonDelta zich voor inzet, net als het aantrekken van internationaal talent met interesse voor deze ontwikkelingen. Vanuit het Nationaal Groeifonds en het bedrijfsleven is voor de periode tot 2028 een miljard euro beschikbaar gemaakt voor geïntegreerde fotonica.

Meer toepassingen van fotonica

In Nederland wordt ook op andere deelgebieden dan geïntegreerde fotonische chips, gewerkt aan praktische toepassingen van fotonica, bijvoorbeeld in de ontwikkeling van externe lasers. Cees Links is CEO van SuperLight Photonics dat de eerste draagbare breedbandlaser maakt. “In 1960 pas werden de eerste lasers uitgevonden. Ik denk dat wij nu in onze samenleving nauwelijks beseffen hoeveel lasers overal worden gebruikt.” Hij noemt als voorbeeld de scanner voor lege flessen in de supermarkt, alle barcodelezers en apparatuur om iets heel precies aan te wijzen of te meten zoals bij inwendig medisch onderzoek. Maar je kunt ook lassen met hoogvermogen-lasers. Links: “Alle huidige lasers zijn monochroom [creëren maar één kleur licht, red]. Als je witte lasers ziet, komt dat doordat verschillende kleuren laserlicht worden gecombineerd.” De behoefte groeit aan lasers die meer kleuren licht tegelijk kunnen produceren, bijvoorbeeld voor medische diagnostiek en industriële toepassingen als kwaliteitsmetingen. Er bestaan al langer dergelijke breedbandlasers maar dat zijn logge apparaten die na verplaatsing eerst opnieuw gekalibreerd moeten worden, legt Links uit. Een uitvinding van Haider Zia tijdens zijn promotieonderzoek aan de Universiteit Twente maakt het nu voor SuperLight Photonics mogelijk een breedbandlaser te maken ter grootte van een pak melk.

Aan de Haagse Hogeschool bijvoorbeeld werken onder meer John Bolte als lector Smart Sensor Systems en Steven van den Berg als lector Photonics vooral aan fotonische sensoren en meetapparatuur. Een van de projecten waar Bolte zich op richt is om tuinders een beter inzicht te geven in de bladgroei van planten in een kas, liet hij zien tijdens het Dutch Photonics Event half september in Den Haag. Voor iedere soort plant is er een optimale hoeveelheid bladoppervlak per grondoppervlak voor een maximale opbrengst. Met een computervision-systeem, door Boltes groep ontwikkeld, kunnen 3D-modellen van levende planten worden gemaakt waar vele metingen aan kunnen worden verricht. Dat is voor de tuinder een enorme verbetering ten opzichte van het periodiek verzamelen van bladeren in de kas om die metingen aan te verrichten. Dat is arbeidsintensief en ook destructief omdat voor de metingen het blad van de plant moeten worden gehaald. Bij de metingen met de 3D-methode is dat niet nodig.

Voorspellen van toekomstige problemen

Ook voor medische toepassingen biedt fotonica uitkomst, demonstreert zijn collega Van den Berg. Voor sommige ingrepen bij hartproblemen, brengt een cardioloog een katheter in die tot vlak bij het hart wordt geschoven. Dat gebeurt in een MRI-scanner waar geen metaal aanwezig mag zijn vanwege de sterke elektromagnetische velden. “De cardioloog wil graag informatie hebben over hoe de katheter beweegt door het bloedvat. Tot nog toe is alleen de positie van de top te bepalen. Met gebruik van fotonica kan de buiging van een groter deel van de katheter in kaart worden gebracht.” De buiging van een glasvezel verandert de lichtgeleidende eigenschappen, en deze verandering kan aan het uiteinde worden gemeten en gevisualiseerd.

Bolte: “Wij doen metingen en voorspellen de gezondheid en functionaliteit van machines, mensen, dieren en planten. Het gaat om ‘prevention through prediction’.” Op basis van meetgegevens kunnen voorspellingen worden gedaan over toekomstige problemen. Die kunnen dan preventief worden aangepakt. “We doen veel aan prototyping en werken veel samen met de Universiteit Delft waar we onder meer gebruik kunnen maken van de clean rooms.”

Overvol radiospectrum ontlast

Communicatie met laserlicht hoeft niet via glasvezel te gaan. TNO werkt bijvoorbeeld aan optisch dataverkeer door de vrije ruimte (free space optical communication of FSO). De Starlink-satellieten van SpaceX, die internet verzorgen in afgelegen gebieden, communiceren nu al onderling op die manier. Het grote voordeel van die aanpak is dat datatransportsnelheden een factor 2 tot 10 hoger liggen dan radiocommunicatie, de communicatie veel minder energie verbruikt en niet is af te luisteren. Ook is voor het versturen van data via licht, geen ruimte nodig in het overvolle radiospectrum.

Er zijn echter nog obstakels te overwinnen voor FSO tussen stations op aarde of voor communicatie vanaf de aarde met satellieten. Zo verstoren regen en sneeuw de signalen en moeten zender en ontvanger heel precies op elkaar zijn gericht. Bij een satelliet die beweegt ten opzichte van het grondstation, vergt dat een complexe aansturing. Door slim te schakelen tussen grondstations op verschillende geografische locaties, zijn er echter wel oplossingen voor die uitdagingen te bedenken, liet Floris van Kempen, expert in laser-satelietcommunicatie bij TNO, zien tijdens het Dutch Photonics Event.

Dit zijn maar enkele voorbeelden waarbij het gebruik van fotonen in plaats van elektronen voordelen biedt. Maar er kleven ook bezwaren aan, legt Links uit. “Fotonen hebben geen lading zoals elektronen. Je kunt ze dus niet sturen met magnetische velden. Je kunt ze één kant uitschieten, maar ze hoeven ook maar iets tegen te komen, een watermolecuultje, of een onregelmatigheid in de wand van de glasvezel, en zo’n foton schiet een andere kant uit.” Fotonen kun je ook niet vangen en opslaan. “Daarom heeft het ook zo lang geduurd voordat we met fotonica echt iets konden doen. Er is eigenlijk gewoon nog heel veel ontwikkelingswerk voor de komende jaren.” Hij wijst ook naar het combineren van fotonica met elektronica. “Het zijn nu nog grotendeels gescheiden vakgebieden die je uiteindelijk met elkaar wil laten samenwerken.”

Overheid heeft rol als dirigent

De overheid heeft een belangrijke rol in het ontwikkelen van het klimaat waarin Nederlandse economie echt kan profiteren van de kansen die fotonica biedt, vindt Links. “Zolang de overheid maar niet gaat sturen en ondernemen. De overheid kan speerpunten kiezen, daarmee stimuleer je het ontstaan van een ecosysteem waarin mensen elkaar kunnen vinden en ideeën uitwisselen. Dan kunnen ze ook de toepassingen verkennen en verder uitwisselen. Maar ik zie de overheid echt als leverancier van de infrastructuur voor die ontwikkeling. Dus heel praktisch: zorgen dat er huizen zijn, wegen, ziekenhuizen en scholen zodat het vestigingsklimaat aangenaam is voor talent dat de ontwikkeling verder moeten brengen. Ik maak vaak de vergelijking met een dirigent. Die moet niet de rol van de violist of fagottist innemen. De rol van de dirigent is het beste uit elk individu te halen en de musici op de juiste manier laten samenspelen.”

De overheid moet niet de rol van de violist of fagottist innemen.”