Dutch integrated ecosystem for photonic integrated chips.
De markt voor fotonica, moderne lichttoepassingen, groeit met zo’n tien procent per jaar en zal in 2020 ruim 600 miljard euro bedragen. Nederland geldt als voorloper in de technologieontwikkeling en is een drijvende kracht achter de vorming van een Europees onderzoeksconsortium. Intussen heeft zich in de lage landen een compleet ecosysteem ontwikkeld, Photon Delta geheten, met research, productie en applicatieontwikkeling. ‘Dat kan uitgroeien tot het Silicon Valley van de geïntegreerde fotonica’, aldus Ton Backx, vandaag een van de sprekers bij de opening van de Innovation Expo in Amsterdam. Bij die gelegenheid noemde premier Marc Rutte fotonica een van de technologieterreinen waarop ons land internationaal voorop loopt.
De ontwikkeling van halfgeleiderchips volgt al een halve eeuw de bekende Wet van Moore: dankzij de voortschrijdende miniaturisering van chip-features verdubbelen elke twee jaar de prestaties van elektronica. Maar langzamerhand komen limieten in zicht. Gelukkig dient zich een aanvullende basistechnologie aan, fotonica (toepassingen met lichtdeeltjes, oftewel fotonen). De combinatie van fotonica en elektronica – sneller en energiezuiniger dan de twee technologieën afzonderlijk – kan de trend van continue prestatieverbetering van chips voortzetten.
600 miljard euro
Een belangrijke driver zijn de datacenters, die software-applicaties en data-opslag voor internet hosten. Hun energiebehoefte is nu al goed voor drie procent van het wereldwijde energieverbruik, weet professor Ton Backx van Eindhoven University of Technology (TU/e). ‘En dat groeit exponentieel. Over twee tot vier jaar moet fotonica de communicatie in die datacenters overnemen.’ Fotonica kan de al maar toenemende capaciteitsbehoefte, tot wel 1 terabit/seconde in 2020, makkelijk leveren, zonder de hoge warmteontwikkeling die halfgeleiderchips kenmerkt. ‘In de slipstream van technologieontwikkeling voor datacenters kunnen ook andere applicaties tot wasdom komen.’
Belangrijke toepassingen van fotonica: Internet(datacenters), zonnepanelen, blueray, oled beeldschermen en led verlichting.
De markt voor fotonica groeit met zo’n tien procent per jaar en zal in 2020 ruim 600 miljard euro bedragen; daarvan betreft 60 miljard fotonische geïntegreerde chips (PICs) en hun applicaties. Nederland is al ruim twintig jaar een voorloper in fotonica-onderzoek. ‘We werken nu aan een opschaling naar Europees niveau’, vertelt Erik Teunissen, senior managing consultant bij adviesbureau Berenschot. Hij was programmacoördinator van het Nederlandse onderzoek en is een van de initiators van het voorstel voor een Europees 
onderzoeksconsortium dat binnenkort wordt ingediend in het Europese Joint Technology Initiative ECSEL (Electronic Components and Systems for European Leadership). ‘De VS steekt 600 miljoen dollar in fotonica en China ruim 300 miljoen; hoog tijd dus dat Europa investeert in fotonica.’
Marktontwikkeling
Nederland is er klaar voor, zeker nadat vorig najaar Photon Delta is opgericht. Teunissen was co-auteur van de roadmap voor het platform dat de groei van het fotonische ecosysteem rond Eindhoven moet versnellen. ‘Het aanjagen van applicatieontwikkeling is key voor deze ambitie.’ Photon Delta gaat daartoe R&D, kennisdeling en samenwerking faciliteren. De R&D komt voor rekening van het Institute for Integrated Nano-Photonics (met Ton Backx als ceo; 25 april is de officiële kick-off tijdens het Photonic Integration Symposium in Eindhoven). Het instituut voert op drie niveaus (fotonische materialen, geïntegreerde chips, complete systemen) onderzoek uit. Een aparte bv gaat de intellectual property beheren en bedrijven kunnen lid worden van een coöperatie die tegen gereduceerd licentietarief toegang biedt tot de ontwikkelde kennis.
Een majeure taak voor Photon Delta is het in kaart brengen van de vraagkant, zegt managing director Ewit Roos. ‘We moeten – ook op Europees niveau – de vraag aanwakkeren door ‘sensibilisering’, want niet technologie maar kennis van de mogelijkheden is nu de beperkende factor in de markt. Dat doen we door alle partijen in de fotonische supply chain efficiënt aan elkaar te verbinden en in open innovatie nauw te laten samenwerken. Heel veel is al aanwezig, wat betreft kennisproductie aan universiteiten en hightech machinebouw in de Brainport Eindhoven-regio.’ Een derde cruciaal ingrediënt voor het ecosysteem is vrij toegankelijke productiecapaciteit. Ook daarin is voorzien, met SMART Photonics. Roos: ‘Als dat kan uitgroeien tot wereldspeler voor prototyping en volumeproductie van PICs, wordt Photon Delta het Silicon Valley van de geïntegreerde fotonica.’
Pure-play
Voortgekomen uit het fotonica-onderzoek van de TU/e, is SMART Photonics ‘s werelds enige pure-play foundry voor deze nieuwe technologie. De onafhankelijke chipproducent is 
toegankelijk voor elke chipontwikkelaar. Vorig najaar opende SMART Photonics zijn pilotproductielijn voor PICs in indium phosphide (InP). Op het InP-platform zijn actieve fotonische componenten, zoals lasers, en passieve componenten, zoals filters, te integreren. Ceo Richard Visser: ‘De productie-expertise van onze mensen is wereldtop. Elke drie maanden voeren we een zogeheten multi-project wafer run uit; deelnemers kunnen relatief goedkoop verschillende designs voor een nieuwe chip uitproberen. Een enorm succes, want ons proces is generiek en niet applicatiespecifiek. Wij bieden een aantal generieke bouwblokken aan, ontwikkeld samen met de TU/e, waarmee eenvoudig chips voor uiteenlopende applicaties kunnen worden ontworpen: medisch, tele- en datacom, aviation, automotive, machinebouw, enzovoort. In 2018 willen wij een fabriek voor volumeproductie openen in Eindhoven. Dat moet ’s werelds grootste leverancier van fotonische chips worden.’
Photonic integrated chips manufactured by SMART Photonics.
SMART Photonics stond mede aan de basis van Photon Delta, zegt Visser. ‘Met onze multi-project wafer runs vanaf 2013, toen we de technologie voor het eerst open op de markt gingen aanbieden, hebben wij het disruptieve karakter ervan aangetoond, met prestaties tot wel 10.000 keer beter dan van de bestaande technologie voor vergelijkbare toepassingen. We zien nu dezelfde evolutie in de fotonica als vijftig jaar geleden in de semicon begon en moeten er klaar voor zijn als grote aantallen chips worden gevraagd. Daarom zijn wij druk met de technologie en kan Photon Delta ons helpen om de markt daarvoor te laten groeien.’
Packaging
Nu al actief op die markt is Technobis in Alkmaar, onderdeel van het Photon Delta ecosysteem en klant van SMART Photonics. ‘Wij zijn een voortrekker van sensing-toepassingen voor fotonica’, vertelt ceo Pim Kat. Met speciale sensoren of met ‘bare fibers’ die fotonisch worden uitgelezen, zijn veranderingen in fysische grootheden als lengte, druk of temperatuur te detecteren. Dit voor het meten van vervorming in precisiemachines, mechanische belasting van vliegtuigvleugels of temperatuur van kritische 
componenten, enzovoort. ‘Wij kunnen nu voor sensing alles maken wat de klant bedenkt.
Technobis is a leading provider of Application Specific Photonic Integrated Circuit (ASPIC)-based fiber sensing systems for high tech, aeronautics, space, medical and automotive testing industries.
Dankzij de integratie van fotonica hebben we een reductie van prijs en afmetingen en een doorbraak in de mogelijkheden gerealiseerd. Dit begint nu pas door te sijpelen in de markt.’ Er liggen nog wel opgaven voor Technobis. ‘Wij hebben een sterke behoefte aan meer fotonische bouwblokken. Er zijn wel standaardblokken, maar voor bepaalde applicaties moeten we die toch weer aanpassen. Een tweede uitdaging is de ramp-up van productie. Tot nu toe deden we series van tien tot honderd stuks. We gaan nu richting 5.000-10.000. De yield van het productieproces moet dan nog wel worden verbeterd. Bovendien is de packaging voor een fotonische chip complexer dan voor een halfgeleiderchip. Dat packagen gaan we zelf doen, want we willen niet dat onze ‘kale’ chips bij derden terechtkomen. Om de benodigde hoge investeringen terug te verdienen, bieden we deze packaging service in de markt aan.’
