$1/Gbps@400Gbps in 2019 is de fotonische ‘man op de man’
Wat nu nodig is voor het snel naar de markt brengen van fotonica, zo vindt de rondetafel, is slagkracht, ondernemerschap en een ‘man on the moon’ Foto’s: Kees Beekmans
Terugkijkend in, zeg, 2025, wordt half maart 2017 misschien wel als kantelpunt in de mondiale integrated photonics evolutie aangewezen. In het unieke Nederlandse ecosysteem bundelden zich de krachten ter versnelling van de ontwikkeling van deze technologie die de voortgaande groei van datacenter- en telecom- (5G) verkeer moet opvangen, evenals van een breed spectrum aan nieuwe, vaak sensing-gebaseerde, toepassingen. $1/Gbps@400Gbps werd gedefinieerd als het ‘man op de maan’ roadmap-doel voor 2019.
Uniek Nederlands integrated photonics ecosysteem krijgt momentum
Op maandag 13 maart 2017 verzamelden vertegenwoordigere van het unieke Nederlandse geïntegreerde fotonica-ecosysteem zich op het ministerie van Economische Zaken om hun krachten te bundelen en een taskforce op te starten met als doel de technologieontwikkeling te versnellen. Nu alle benodigde technologiebouwblokken beschikbaar zijn in de Nederlandse Photon Delta en de omringende Europese landen, is het tijd om ze samen te voegen voor het produceren van marktrijpe oplossingen. Twee dagen later, tijdens een rondetafel ten burele van Link Magazine, bespraken sleutelfiguren de roadmap die een eerste integrated photonics killer applicatie binnen twee jaar naar de datacentermarkt moet brengen. Ze hadden het over urgentie, ecosysteemontwikkeling en een oproep om tot actie over te gaan.
Gert-Jan Vaessen, Manager BOM Capital Foto’s: Kees Beekmans
Urgentie
Gespreksleider Gert-Jan Vaessen, Manager BOM Capital, werpt de vraag op of de ‘hype’ rond fotonica gerechtvaardigd is. TU Eindhoven hoogleraar Ton Backx, President Institute for Photonic Integration and CEO Photon Delta, vindt van wel. ‘Er is een duidelijke urgentie en die komt voort uit de groei van het internetverkeer. Zie de groei van datacenters dankzij giganten als Google en Facebook en de opkomst van Netflix, Spotify en dergelijke.’ De halfgeleidertechnologie loopt in de data- en de telecommunicatie geleidelijk tegen haar grenzen aan. De energiebehoefte voor chip performance and cooling is al goed voor drie procent van het wereldwijde energieverbruik en dat aandeel verdubbelt elke twee jaar. Uiterlijk over vier tot zes jaar gaat dat stagneren, verwacht Backx. Fotonica kan en moet hier uitkomst bieden.
Ton Backx (Institute for Photonic Integration, Photon Delta): ‘Er is een duidelijke urgentie en die komt voort uit de groei van het internetverkeer.’ Foto’s: Kees Beekmans
Killer app
Fotonica (moderne lichttoepassingen) dient zich aan als aanvullende basistechnologie die in combinatie met elektronica – sneller en energiezuiniger dan de twee technologieën afzonderlijk – datacom en telecom verder kan laten groeien. ‘We hebben dus een horizon van ongeveer vijf jaar voor een transitie naar fotonica.’ De hoofdrol is daarbij weggelegd voor zogeheten geïntegreerde fotonica: in 2020 zullen geïntegreerde fotonische chips (PICs) en hun toepassingen goed zijn voor een omzet van 60 miljard euro (tien procent van de totale fotonicamarkt). De vraag aan tafel is welke killer application ervoor kan zorgen dat die prognose waarheid wordt. Die ligt in de datacenters, stelt Backx, in transceivers en chips die het fotonische (fiber-based) dataverkeer faciliteren. De datacom is vooral een high-volume kostprijsgedreven markt; in technologisch opzicht is de telecom de drijvende kracht vanwege de hogere kwaliteitseisen. ‘De echte marge valt te behalen met niche-applicaties, zoals allerlei vormen van sensing. Als je bijvoorbeeld de functionaliteit voor medical sensing in een fotonische chip stopt, dan wordt het opeens veel nauwkeuriger en goedkoper.’ Ook in hightech systems en infrastructuur liggen kansen voor sensing.
Rondetafelgesprek voor Link Magazine. Foto’s: Kees Beekmans
Sensing
Het is core business voor het sterk groeiende Technobis in Alkmaar (ruim zestig medewerkers): fotonische meetprincipes toepassen voor het registreren van (veranderingen in) fysische grootheden als lengte, druk of temperatuur. Dat maakt monitoring mogelijk van bijvoorbeeld de vervorming in precisiemachines, mechanische belasting van constructiedelen of temperatuur van kritische componenten. Geïntegreerde fotonica zorgt – in vergelijking met klassieke discrete optische/fotonische systemen – voor een forse reductie van prijs en afmetingen en een spectaculaire verbetering van performance (resolutie en nauwkeurigheid). ‘Wij zijn een van de eerste gebruikers van integrated photonic sensing’, zegt Technobis CEO Pim Kat. ‘Onze ‘kastjes’ monitoren bijvoorbeeld de krachten op landingsgestellen of de mechanische belasting van vliegtuigvleugels. Ze zitten onder meer in de A350 van Airbus en de Apache helikopter. Airbus en Boeing komen nu met geld over de brug omdat ze zien dat wij kunnen voorzien in hun real-time, high-speed control behoefte.’
Pim Kat (Technobis): ‘Over twee tot drie jaar moeten onze integrated photonics systems flight qualified zijn.’ Foto’s: Kees Beekmans.
De technologie zorgt voor doorbraken in de toepassingsmogelijkheden, bevestigt Kat. ‘We zitten met onze technologie nu al op zes verschillende plekken in een vliegtuig. We hebben een project gedaan in de Formule 1, maar we hebben geen tijd voor de automotive.’ Ton Backx noemt als de killer app voor dit marktsegment de lidar, een soort radarsensor die autonome voertuigen moet helpen bij collision avoidance. Vergeleken hiermee blijft de aerospace een nichemarkt, met enkele duizenden toestellen per jaar waarin elk tot tien systemen komen. Het is ook een markt die een lange adem vergt. ‘In 2008 zijn we gestart, nu moeten over twee tot drie jaar onze systemen ‘flight qualified’ zijn. We zetten ook in op medical. Daar zijn we al zover dat we diagnostic guidewires kunnen maken als disposables van $50. Dat opent een grotere markt.’
Ecosysteem
Technobis is een belangrijke speler in het Nederlandse ecosysteem. Onder de vlag van Photon Delta zijn research, design, productie en applicatieontwikkeling gebundeld. De research concentreert zich rond de technische universiteiten van Eindhoven (Institute for Photonic Integration) en Twente (MESA+ Institute for Nanotechnology) en heeft daar geresulteerd in spin-offs als EFFECT Photonics, SMART Photonics en Lionix. Ook wordt stevig gewerkt aan de inrichting van het Photonics Integration Technology Center (PITC), het nationale shared facility centre waar onderzoeksresultaten snel kunnen worden doorontwikkeld tot het niveau van industriële toepassing. Zo is Nederland uitgegroeid tot een voorloper in de technologieontwikkeling, vertelt Erik Teunissen, senior managing consultant bij adviesbureau Berenschot.
Erik Teunissen, senior managing consultant bij adviesbureau Berenschot. Foto’s: Kees Beekmans
Hij was programmacoördinator van het Nederlandse onderzoek en een van de initiators van een Europees onderzoeksconsortium. Tevens stond hij mede aan de wieg van Photon Delta, dat najaar 2015 als platform werd opgericht om de groei van het fotonische ecosysteem in Nederland te versnellen door alle partijen in de fotonische supply chain efficiënt aan elkaar te verbinden en in open innovatie te laten samenwerken. ‘Het aanjagen van applicatieontwikkeling is key voor deze ambitie’, verklaart Teunissen. ‘Pim Kat heeft bewezen dat je market maker kunt worden’, vult Ewit Roos, managing director van Photon Delta, aan. ‘Zijn Technobis heeft laten zien dat je met deze technologie dure systemen kunt vervangen door low-cost disposables. Zo opent zich een hele waaier aan applicaties, er kunnen nog tientallen Technobissen opstarten.’
Foundry
Een essentiële bouwsteen van het ecosysteem is productiecapaciteit. Daarin voorziet TU/e-spin-off SMART Photonics (31 medewerkers), ’s werelds enige ‘pure-play (onafhankelijke) foundry’, die anderhalf jaar geleden een productielijn opende voor PICs (op het Indium Phosfide-technologieplatform). ‘Wij doen research samen met de TU Eindhoven, aan de ontwikkeling van nieuwe bouwblokken voor ons platform, en we werken onze industrialisatieroadmap af’, vertelt CFO Robert Feelders.
SMART Photonics CFO Robert Feelders: ‘Nederland moet niet alleen wafers met chips exporteren, maar ook packaged chips en complete systemen fabriceren.’ Foto’s: Kees Beekmans
‘Ons doel is hoge volumes betrouwbaar te kunnen produceren. Afgelopen januari hebben we tijdens een handelsmissie onder meer Facebook en Google bezocht; zij willen weten of wij de juiste volumes tegen de juiste prijs kunnen leveren. Voor andere markten dan data- en telecom is het nog wel belangrijk dat de technologie bekender wordt. We hebben een aantal Nederlandse, maar verder vooral internationale klanten. Voor de BV Nederland is het belangrijk dat wij niet alleen wafers met chips exporteren, maar dat er in ons land ook packaged chips en complete systemen worden gefabriceerd.’ In 2018 wil SMART Photonics een nieuwe fabriek voor volumeproductie openen in Eindhoven, waar het met hoge kwaliteit en tegen een acceptabele prijs kan produceren. Pim Kat zit er met smart op te wachten. ‘We kunnen onze klanten op dit moment nog niet garanderen dat we de productiecapaciteit beschikbaar hebben voor een ramp-up van productie.’
Cees Admiraal, Business Development Director HTCE Site Management
Voor de locatie van de nieuwe fabriek kandideert zich onder meer de High Tech Campus Eindhoven (HTCE) – bij een ecosysteem horen immers ook fysieke locatie(s). ‘Wij willen op de campus ruimte bieden voor de realisatie van die fab’, meldt Cees Admiraal, Business Development Director HTCE Site Management. ‘Wij realiseren ons dat het om relatief nieuwe technologie gaat en dus een langetermijnontwikkeling vergt.’ De campus is een geschikte locatie, vult Erik Teunissen aan, omdat daar ook toepassers van geïntegreerde fotonica zijn gehuisvest. Het aanbod van Admiraal is welkom, zegt gespreksleider Gert-Jan Vaessen. ‘Want die nieuwe fab van SMART Photonics is het epicentrum van de urgentie rond fotonica.’
‘Nu zijn er niet meer dan vijf ASML-machines nodig om de hele wereldmarkt voor integrated photonics te bedienen.
Patrick de Jager, Director New Business ASML Patrick de Jager (ASML): ‘Ik hoop dat er killer applicaties komen, want volume zorgt voor een boost.’ Foto’s: Kees Beekmans
Informeel leider van het groot-Eindhovense hightech ecosysteem is ASML, de wereldmarktleider in lithografiemachines. Tot nu heeft ASML zich gefocust op de klassieke semicon en is het slechts zijdelings betrokken bij de ontwikkelingen in de fotonica. ASML-machines zijn er wel geschikt voor te maken. Zo heeft SMART Photonics onlangs een refurbished machine van ASML gekocht en aangepast voor PICs-productie. ‘Voor ons is integrated photonics een onderdeel van MOEMS, micro opto-electromechanical systems, waar ook MEMS toe behoren, micro electromechanical systems’, verklaart Patrick de Jager, Director New Business ASML. ‘Die MOEMS-markt kent ongelooflijk diverse applicaties, maar het zijn allemaal kleine volumes. We zijn zelf ook afnemers van integrated photonics.’ Hij duidt op systemen die Technobis heeft ontwikkeld voor het monitoren van nanometerschaaldeformaties die de performance van ASML-machines beïnvloeden. ‘Nu zijn er niet meer dan vijf ASML-machines nodig om de hele wereldmarkt voor integrated photonics te bedienen. Ik hoop dat er killer applicaties komen, want volume zorgt voor een boost.’ Dan pas heeft het zin om dedicated machines voor PICs productie te ontwikkelen, wil De Jager maar zeggen.
Uitdagingen
Nu zich een gerenommeerde speler als ASML aandient, die de productie-equipment voor PICs naar een hoger niveau zou kunnen brengen, zijn alle elementen voor een compleet ecosysteem beschikbaar. Des te meer omdat ASML de Nederlandse machinebouwers en mechatronics suppliers tot grote hoogten heeft opgestuwd, aldus Backx, waardoor die in staat moeten zijn om bij de assemblage van fotonische systemen de benodigde positioneringsnauwkeurigheid tot 100 nanometer te realiseren. ‘De system suppliers die zich in Brainport Industries hebben verenigd, beheersen dit en zijn ervan doordrongen dat hier kansen liggen.’ Nu is het de opgave alle ecosysteemcomponenten tot volwassenheid te brengen en ‘op te lijnen’. Natuurlijk liggen er in de research nog issues, maar de grootste uitdaging vormt productie: naast verbetering van de kostprijs en de al genoemde uitbreiding van de capaciteit, vragen vooral packaging en testing de nodige aandacht. Technobis gaat dit zelf doen, meldt Pim Kat. ‘Voor een fotonische chip is dat complexer dan gedacht, niemand kan dat nog goed. Daarom gaan wij er in Alkmaar een fabriek met cleanroom en testequipment voor inrichten en organiseren we een opleiding voor het werken in de cleanroom.’ Erik Teunissen: ‘Als voor die packaging & testing de benodigde technologieën goed zijn ingevuld, dan is hier in Nederland de supply chain op orde en zijn wij wereldwijd het centrum voor het leveren van PICs.’
Ewit Roos, managing director van Photon Delta. Foto’s: Kees Beekmans
Actie
Die conclusie wordt gedeeld aan tafel. Het probleem is echter dat de ontwikkeling naar market readiness niet snel genoeg gaat. ‘Voorbeeld: ons marktonderzoek toont aan dat bij het huidige tempo van ontwikkeling het gewenste prijsniveau voor massale toepassing in datacenters binnen vijf jaar wordt gerealiseerd’, illustreert Ewit Roos. ‘De industrie wil echter dat we volgend jaar op dat niveau zitten.’ Dat lukt niet, maar twee jaar moet – met de juiste investeringen – haalbaar zijn, vult Ton Backx aan. ‘Dan blijven we de rest van de wereld – Verenigde Staten, China – nog steeds voor.’ Voorwaarde is dat de juiste technologiekeuzes worden gemaakt, zegt Patrick de Jager. ‘Bij MEMS wilde iedereen in technisch opzicht wat anders en daardoor is het niet echt van de grond gekomen. Ik geloof in killer apps, want die zorgen voor kritische massa.’ Nederland moet ook leren van de ervaringen in de photovoltaic solar energy market, vult Erik Teunissen aan. ‘Ons land bouwde veel kennis op en de rest van de wereld verdiende er geld aan, omdat we zijn vergeten hier een ecosysteem op te zetten.’ Cees Admiraal pleit er daarom voor dat de Netherlands Foreign Investment Agency Nederland nog meer gaat promoten als de place-to-be voor fotonica. Om (internationale) bedrijvigheid aan te trekken, zijn nog wel investeringen nodig in infrastructuur, zoals de genoemde fabriek, met hulp van publieke middelen. ‘De provincies Noord-Brabant en Overijssel nemen daarin al zeer ambitieuze posities in, bijvoorbeeld met steun voor het PITC’, meldt Ewit Roos. Nu heeft zich ook het ministerie van Economische Zaken gemeld, met als eerste stap het oprichten van een nationale taskforce.
Regie
Wat nu nodig is, zo vindt de rondetafel, is slagkracht, ondernemerschap en een ‘man on the moon’. Dat is $1/Gbps @400Gbps in 2019, oftewel over twee jaar moet een datacommunicatiesnelheid van 400 Gbit per seconde mogelijk zijn tegen een kostprijs van 1 dollar per Gbps. ‘Daarvoor moeten alle krachten worden gemobiliseerd, de urgentie is hoog, we kunnen niet langer dralen’, geeft professor Ton Backx als boodschap mee. ‘De totale keten is hiervoor nodig, dus moet de architectuur goed worden gedefinieerd’, reageert Patrick de Jager. ‘Vanuit ASML New Business kunnen wij die keten helpen door top-down de systems engineering te coördineren.’ Het is een bijzonder moment in de fotonica-evolutie, concludeert gespreksleider Gert-Jan Vaessen.
Artikel stond in Link magazine, Southern Netherlands Special 2017
