Met Europees geld worden in twee Nederlandse universiteitssteden proefproductielijnen opgezet voor fotonische chips. Wat zijn dit voor chips en wat kan deze technologie voor ons land betekenen? Zeven vragen over fotonica.

Begin november werd bekend dat de Europese Unie 380 miljoen euro uittrekt voor proeffabrieken die fotonische chips kunnen maken. Van dat geld komt naar verwachting 133 miljoen euro terecht in ons land; Nederland betaalt zelf ook mee. Het geld is bedoeld voor de bouw van proefproductielijnen in Enschede en Eindhoven.

Wat gaan die fabriceren, wat kun je met fotonica en waar staat ons land eigenlijk op dit gebied? Een rondgang langs experts.
 

Wat is fotonica ook alweer?

Fotonica is de verzamelnaam voor chips, kabels en andere componenten die op basis van lichtsignalen werken. Daarmee geldt ze als de tegenhanger van elektronica, waar het draait om onderdelen en apparaten die juist met elektrische stroompjes werken. 

Hebben we het over fotonica, dan gaat het meestal over fotonische chips: chips die werken met licht. Omdat licht veel sneller beweegt dan elektronen, zou er in theorie veel sneller en zuiniger mee te rekenen zijn. Ook het verwerken van data zou veel sneller gaan. Maar fotonische chips werken niet solitair: ze zijn altijd gekoppeld aan elektronische componenten. Rekenen en het opslaan van data gebeurt immers (nog) in het elektrische domein.

 

Fotonische chip die op een drager is bevestigd met elektrische contacten. Foto: Jeppix

Wat wordt er verwacht van fotonica?

Bij communicatie via glasvezel wordt dit type chip al veel langer ingezet, maar op veel andere vlakken moet ‘geïntegreerde fotonica’ de belofte nog inlossen. Hoewel fotonische chips nog niet in grote aantallen worden geproduceerd, zijn er al wel enkele toepassingen. 

Zo kunnen speciale, aan glasvezels gekoppelde chips de vervorming van grote constructies meten. Ook maken chips die werken op licht datacenters nu al een stuk energiezuiniger. ‘Werken met licht kost nu eenmaal minder energie per bit dan met elektrische stroom’, zegt Arne Leinse. Hij is ceo van het bedrijf LioniX in Enschede, dat onder meer fotonische chips maakt en onderdelen ervan.

Andere mogelijke toepassingen zijn augmented/ virtual reality-brillen waarin heel kleine lichtbronnen nodig zijn, lidarsystemen en dataoverdracht met lasers, en niet te vergeten toekomstige quantumcomputers.

De wereldwijde markt voor de productie van photonic integrated circuits (PIC’s) groeit de komende tien jaar naar verwachting met meer dan 400 procent. ‘Tegen het einde van het decennium bedraagt de wereldwijde fotonicamarkt naar verwachting meer dan vijftienhonderd miljard euro’, meldt een persbericht van het ICFO in Barcelona, dat de samenwerking in PIXEurope coördineert.

Verschillende chips op een wafer. Doordat verschillende gebruikers hun ontwerpen combineren, delen ze de kosten om tot prototypen van hun chips te komen. Foto: Jeppix

Wat gaat er nu gebeuren?

De Europese Commissie heeft een enorm bedrag gereserveerd voor PIXEurope. Dit is een samenwerking waarin onderzoeksinstellingen in verschillende landen een netwerk van pilotlijnen voor fotonische chips willen opzetten. In PIXEurope zitten instellingen uit België, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, het Verenigd Koninkrijk en Nederland.

De 133 miljoen euro die voor Nederland is bestemd, wordt dus gebruikt om in zowel Enschede als Eindhoven een productielijn te bouwen voor fotonische chips. Die lijnen worden opgezet door onderzoekers van de technische universiteiten aldaar en van TNO. Details kunnen per locatie variëren, maar daarbij valt te denken aan het inrichten van een cleanroom met verschillende machines en het ontwikkelen van de processen voor het bouwen van de op licht werkende chips. 

‘Het inrichten van de process flow en meettechnieken om te bepalen wat de kwaliteit is van de geproduceerde chips en wat de opbrengst aan gelukte chips is, zijn ook onderdeel van een productielijn’, zegt Martijn Heck, hoogleraar fotonische integratie aan de TU Eindhoven.

De technische universiteiten in beide steden richten zich ieder op verschillende technologieën. In Enschede heeft men zich gespecialiseerd in siliciumnitride als materiaal om mee te werken; in Eindhoven weten de ingenieurs alles van indiumfosfide, een andere halfgeleider.

‘Het zijn technologieën die elkaar aanvullen’, legt Leinse uit. ‘Vaak zijn voor het maken van een product beide aanpakken nodig.’

‘Siliciumnitride is een halfgeleider waar licht met heel lage verliezen doorheen gaat’, zegt Heck. ‘Maar je kunt er geen lichtbron van maken; daarvoor is indiumfosfide nodig.’

In de cleanroom van de TU Eindhoven worden op plasma gebaseerde processen gebruikt voor het etsen van wafers en het neerleggen van dunne laagjes. Foto: Jeppix

Wat kunnen betrokkenen met die te bouwen productielijnen?

De lijnen zijn uiteindelijk bedoeld voor academisch en industrieel onderzoek en het maken van eerste prototypen. De pilotlijnen moeten helpen de kloof te verkleinen tussen een demonstrator – één enkele chip die in het laboratorium werkt – naar een product dat in grotere aantallen wordt gemaakt. ‘Van lab naar fab noemen we het wel’, zegt Heck. ‘Dus van enkele chips die wetenschappers zelf maken naar aantallen chips die nodig zijn voor productontwikkeling.’

Massaproductie is niet te verwachten van de pilotlijnen. Heck: ‘Een pilotlijn is nog geen foundry’, oftewel een een fabriek die voor verschillende klanten chips produceert en zoveel mogelijk dag en nacht draait.

Leinse: ‘Met een demonstrator zit een fabriek pas op 10 procent van het traject. Het is nog een enorme klus om aan te tonen een hele wafer vol met chips goed en betrouwbaar te kunnen produceren.’ Met de proeffabriek kunnen de bedrijven en wetenschappers een cruciale stap naar een productieomgeving zetten.

Hebben bedrijven ook iets aan de nieuwe productielijnen?

Uiteindelijk wel en het is zeker denkbaar dat er allerlei samenwerkingen tussen TU-onderzoekers en bedrijven in Twente en de Brainportregio ontstaan. Voor een deel bestaan die contacten al.

In Twente is onlangs New Origin van start gegaan. Dit bedrijf wil een fabriek realiseren voor fotonische chips en is ontstaan uit het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente. New Origin gaat op wafers van tweehonderd millimeter doorsnede chips maken in silicium nitridetechnologie. Eind 2026 moet de fabriek de eerste chips produceren.

‘Ook voor ons is de nieuwe pilotlijn goed’, zegt Twan Korthorst, ceo van New Origin. ‘De proeffabriek vormt de ontbrekende schakel tussen het laboratorium en industriële schaal. Technici gaan er vaker chips maken, processen herhalen en zo beter leren kennen, zodat de kwaliteit van het product omhoog gaat en de opbrengst beter wordt. Willen we deze technologie in Nederland van de grond trekken, dan moeten we met zijn allen samenwerken.’

We zijn hier op punten goed in, maar we kunnen niet achterover leunen.

Twan Korthorstceo New Origin

Welke plannen heeft Europa met chips?

Het is al langer duidelijk dat Europa voor het maken van chips graag minder afhankelijk wordt van bedrijven in de Verenigde Staten en Azië. Daarom heeft de EU de European Chips Act opgesteld, waarmee de Europese landen samen sterker en zelfvoorzienender willen worden op het gebied van halfgeleiders.

Ook heeft de EU al eerder, verspreid over Europa, vier pilotlijnen aangewezen voor verschillende soorten elektronische chips. De pilotlijn voor fotonische chips is de vijfde en de enige waarin Nederland een grote rol speelt.

Op dit moment is de vraag naar fotonische chips nog klein. Korthorst: ‘Maar dit is volgens mij een kans voor Europa om deze industrie te ontwikkelen. We zijn hier op punten goed in, maar we kunnen niet achterover leunen.’

Biosensoren op printed circuit boards. Foto: LioniX

Wat is de positie van Nederland?

Nederland heeft behoorlijk wat kennis op het gebied van geïntegreerde fotonica. Dat is te danken aan universitair onderzoek van hoog niveau in de afgelopen decennia, en aan de bedrijven die daaruit zijn voortgekomen. Het is nu zaak snel tot grote productielijnen voor fotonische chips te komen. Naast kwaliteit is snelheid daarbij cruciaal. 

‘Ik was laatst in China en daar stampen ze een fab (een chipfabriek, red.) gewoon uit de grond’, zegt Leinse. ‘Anderzijds vormen de Verenigde Staten mogelijk een bedreiging. Daar is veel meer privaat investeringsgeld beschikbaar.’

Tegelijk is fotonica breder dan alleen de chips. Die moeten ook worden verpakt (packaging) en aangesloten op andere componenten. ‘Dan zijn er nog bedrijven nodig die de chips ontwerpen en test houses die de chips testen’, vult Heck aan. Dat vereist goede afspraken, en intensieve samenwerking om die ‘horizontale integratie’ tot een succes te maken. Verschillende bedrijven nemen daarbij verschillende taken in een toeleveringsketen voor hun rekening.

‘In Eindhoven hebben we al veel ervaring met de samenwerking tussen universiteit en het bedrijfsleven’, vult Heck aan. ‘Bij het JePPIX-platform bijvoorbeeld kunnen universiteiten en bedrijven aankloppen voor training, ontwerp en fabricage van prototypechips, en het testen en assembleren ervan, om zo tot een product te komen. Dat gaan we binnen deze Europese pilot line verder uitbouwen.’

 

Openingsbeeld: Deze spectrometer bestaat uit arrayed waveguide gratings die wit licht splitsen in vijftig kanalen. Doordat siliciumnitride over een breed golflengtegebied licht doorlaat (405 - 2350 nanometer) zijn toepassingen in het zichtbare en infrarode spectrum mogelijk. Foto: LioniX

Verder lezen?

Dit verhaal over fotonica verscheen eerder in het decembernummer 2024 van De Ingenieur.

Koop de digitale versie voor € 9,75 of neem eens een abonnement!