Rekenen met licht: hoe fotonica de digitale wereld hertekent

Elektronische geïntegreerde schakelingen – beter bekend als microchips – zijn alomtegenwoordig. Maar ook fotonische chips zijn in opmars. Ze gebruiken geen elektronen maar wel fotonen – licht dus - om data te verzenden. Voordeel? Hogere datasnelheden en een fors lager energieverbruik. Momenteel zitten ze veelal verborgen achter de muren van datacenters, maar op termijn worden ze net zo alomtegenwoordig als hun elektronische broertjes. Hoe werken ze? Welke toepassingen komen eraan? En welke rol speelt ons land in deze revolutie?

Licht fascineert wetenschappers al eeuwen. Al in de 17de eeuw bouwde de mens gesofisticeerde instrumenten die werken op basis van licht. De telescoop en de microscoop zouden voorgoed onze kijk veranderen op het grote en het kleine. Van de manen van Jupiter tot de kleinste bacteriën: ze werden voor het eerst zichtbaar. Maar wat licht zelf precies is, dat bleef al die tijd een beetje duister.

Is licht een golf? Of bestaat het uit een stroom van deeltjes? Pas in de 19de en begin 20ste eeuw begonnen wetenschappers antwoorden te vinden op dat soort fundamentele vragen. Dankzij het werk van onder anderen James Clerk Maxwell, die de wetten van het elektromagnetisme beschreef, en Albert Einstein, die het foto-elektrisch effect verklaarde, werd duidelijk dat licht zich soms gedraagt als een elektromagnetische golf en soms als een deeltje. Deze dualiteit leidde tot het concept van het ‘foton’: een massaloos deeltje dat zich voortbeweegt met de snelheid van het licht.

Die inzichten lagen mee aan de basis van de kwantummechanica, een nieuwe tak van de natuurkunde die niet alleen het gedrag van licht verklaarde, maar ook de deur opende naar een hele generatie technologieën: van televisie via kathodestraalbuizen tot fotografische film. In de tweede helft van de 20ste eeuw kwam daar een nieuwe dimensie bij: de halfgeleider. Na de uitvinding van de transistor in 1947 en de geïntegreerde schakeling in 1958 volgden al snel doorbraken in componenten die licht konden uitzenden of detecteren. In de vroege jaren zestig werden de lichtemitterende diode (LED), de laserdiode en de fotodiode ontwikkeld.

Vandaag zijn chips die licht uitstralen, dan wel detecteren, alomtegenwoordig. Denk aan de CMOS-beeldopnamechips in camera’s en smartphones, of aan glasvezelcommunicatie die de ruggengraat van het internet vormt. Veel televisieschermen maken ook gebruik van LED-technologie. En de gezichtsherkenning in sommige smartphones maakt dan weer gebruik van lasers als VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers).

De doorbraak van siliciumfotonica

Werken met licht zou in theorie systemen opleveren die performanter, compacter, betrouwbaarder en goedkoper zijn. Geen wonder dus dat er al in de jaren 60 ook al interesse was om een heel optisch systeem waar fotonen door kunnen reizen te integreren op een chip. Toch zou het nog bijna 50 jaar duren voor de eerste PIC’s (Photonic Integrated Circuit) op de markt zouden verschijnen.

Er bleken namelijk wat technische obstakels. Het eerste had te maken met de materiaalkeuze. In de wereld van elektronische chips werd silicium al snel het dominante basismateriaal, maar in de fotonica lag dat anders. Silicium leek aanvankelijk minder geschikt omdat het nauwelijks lichtdeeltjes uitstraalt. De aandacht ging dan ook vooral naar de zogenaamde III-V halfgeleiders, zoals galliumarsenide, indiumfosfide  en verwanten. Daardoor werden fotonische componenten zoals laserdiodes snel commercieel succesvol, maar bleven geïntegreerde fotonische circuits uit.

Eind vorige eeuw kwam silicium toch weer op het toneel. Ondanks de beperkingen realiseerden onderzoekers zich dat ze in silicium veel fotonische functies konden realiseren, met uitzondering van de lichtbron. En vooral: silicium-PIC’s zouden kunnen vervaardigd worden in dezelfde fabs en foundries als degene waar elektronische chips gemaakt worden. Dat schaalvoordeel bleek een gamechanger: plots werd het mogelijk om innovatieve PIC-gebaseerde producten te fabriceren in bestaande fabrieken, ook als de initiële markt nog erg bescheiden was. De siliciumfotonica was geboren.

Deze ontwikkeling kwam op stoom rond het jaar 2000, eerst in de onderzoeksgemeenschap maar vrij snel gevolgd door de industrie. In sneltempo werden de basisbouwblokken ontwikkeld, zoals golfgeleiders met lage optische verliezen (om verbindingen te maken binnen circuits), optische filters, hogesnelheidsmodulatoren en -detectoren. Na de ontwikkeling van de bouwblokken kwam de ontwikkeling van platformen om fotonische chips te ontwikkelen. Dat gebeurde eerst op 200mm-wafers en later op 300mm. Vandaag bestaan er in de wereld een twintigtal dergelijke platformen, waarvan ongeveer de helft in onderzoeksomgevingen en de andere helft in industriële fabs zoals GlobalFoundries, Tower Semiconductor en TSMC.

Bleef bestaan: het probleem van de lichtbron. Silicium straalt nauwelijks fotonen uit. Ingenieurs losten dat op door nieuwe materialen toe te voegen aan een siliciumfotonicaplatform. Het belangrijkste voorbeeld is de toevoeging van indiumfosfide (InP), omdat met deze halfgeleider de telecomgolflengtes voor glasvezel kunnen worden bediend. Vandaag is er een grote vraag naar de integratie van nog andere materialen in de siliciumfotonica, om de prestaties van de chips te verhogen of nieuwe functionaliteiten toe te laten. De lijst nieuwe materialen is lang, maar het belangrijkste voorbeeld vandaag is lithiumniobaat (LiNbO 3), omdat dit ultrasnelle lichtmodulatie toelaat.

Nieuwe waaier aan toepassingen

Vandaag wordt de PIC-markt gedomineerd door datacom- en telecomtoepassingen, en met name voor ‘transceivers’. Deze componenten zetten digitale elektrische signalen om naar gemoduleerde optische signalen en omgekeerd, aan duizelingwekkende datasnelheden - honderden gigabits per seconde. De optische signalen kunnen dan efficiënt getransporteerd worden via glasvezel. In datacenters worden de vele duizenden servers met elkaar verbonden via glasvezel en dus zijn er heel veel transceivers nodig. Elk jaar worden er op wereldschaal miljoenen PIC-gebaseerde transceivers geproduceerd, die hun weg vinden naar datacenters.

Naast de transceivermarkt opent zich een waaier aan nieuwe toepassingen voor silicium-PIC’s. Start-ups en scale-ups ontwikkelen innovatieve oplossingen die verder gaan dan telecom. Denk aan biologische sensoren voor snelle diagnostiek of sensoren die de stabiliteit van bouwwerken en windmolens monitoren. Ook optische gyroscopen voor navigatie, gasdetectie, LiDAR-sensoren en AR/VR behoren tot de toepassingsdomeinen. Vandaag zijn slechts enkele van deze producten commercieel beschikbaar, vaak nog in bescheiden volumes. Maar het potentieel is groot: fotonica kan hele sectoren hertekenen. En dan hadden we het nog niet over artificiële intelligentie – nog zo’n domein waarin fotonica een sleutelrol zal spelen.

Van AI tot kwantumcomputers

De interconnecties die we vandaag in datacenters terugvinden, zijn niet voldoende performant voor AI-toepassingen. Ze moeten aan hogere datasnelheid kunnen werken, minder energie verbruiken én vlak naast de CPU’s en GPU’s zitten. Momenteel is er een heuse race aan de gang tussen de AI-bedrijven om deze nieuwe interconnectiesystemen te ontwikkelen. Daarin wordt veel verwacht van heterogene integratie in siliciumfotonica.

En dat is nog maar het begin: fotonica zal niet alleen zorgen voor snellere verbindingen, maar ook nieuwe vormen van computing mogelijk maken. Langzaam maar zeker groeit het besef dat de rol van licht in geavanceerde computersystemen verder zal gaan dan enkel maar snelle interconnecties. Onderzoekers werken aan nieuwe computerarchitecturen waarin licht een centrale rol speelt. Dat gaat van optische vector-matrixvermenigvuldiging voor neurale netwerken tot bouwblokken voor kwantumcomputers.

In de kwantumcomputers van de toekomst zou licht gebruikt kunnen worden om qubits (kwantumbits) te verbinden, om hen te manipuleren of hen uit te lezen. Hun werking zal wellicht gebaseerd zijn op een combinatie van elektromagnetische signaalverwerking bij extreem lage temperaturen en optische signaaluitwisseling bij kamertemperatuur. Hiervoor zijn elektro-optische versterkers nodig die deze overgang tussen elektrische en optische qubits naadloos kunnen uitvoeren. Recent ontwikkelden onderzoekers van imec een nieuw materiaal dat over optimale elektro-optische eigenschappen beschikt om zo’n ‘lichtschakelaar’ voor kwantumcomputers mogelijk te maken. Bovendien kan dat materiaal geïntegreerd worden als dunne film op wafers voor de productie van fotonische chips. Dergelijke ontwikkelingen tonen aan dat we stap voor stap evolueren van experimentele concepten naar schaalbare oplossingen die op termijn een enorme impact kunnen hebben.