De wereld draait op micro-elektronica. Voor de aansturing van computers en talloze andere apparaten, van smartphones tot zware machines. Deze apparaten kunnen duurzamer en zuiniger worden als we de bestaande elektronica combineren met fotonica, oftewel lichttechnologie(fotonische chips). Door deze technologieën te integreren in complete modules zou de opkomende fotonica industrie net zo groot kunnen worden als de gevestigde halfgeleiderindustrie.
De acceptatie van geïntegreerde fotonica wordt echter belemmerd. Productontwikkeling kost te veel tijd en de productiecapaciteit is nog onvoldoende. Het verbeteren en opschalen van meet- en testtechnologie is cruciaal om de implementatie van geïntegreerde fotonica te versnellen. Het Photonic Integration Technology Center (PITC) heeft hiervoor het Metrologie-programma gelanceerd, een test- en meetprogramma gericht op het ontwikkelen van zowel design-for-test-methoden als nieuwe tools voor productkarakterisering en testautomatisering.
Testprocessen verbeteren
De grootste belemmeringen voor de marktacceptatie van geïntegreerde fotonica – een lange time-to-market en een beperkte productiecapaciteit voor fotonische chips – zijn toe te schrijven aan een aantal factoren. Ten eerste is de ontwikkelcyclus te lang, omdat nieuwe ontwerpen verificatie en optimalisatie vereisen. Het aantal tests dat nodig is om een productieproces te stabiliseren en de doorvoersnelheid te verhogen, ligt behoorlijk hoog. Daarom is verbetering van testprocessen nodig qua nauwkeurigheid, betrouwbaarheid, doorvoersnelheid en kostenefficiëntie, verklaart Sylwester Latkowski, wetenschappelijk directeur van PITC. “Er is een dringende behoefte aan verbetering van de schaalbaarheid van de momenteel beschikbare testoplossingen Het proces, van prototyping en pilotfase tot productie in kleine batches en uiteindelijk grote volumes, is nog niet efficiënt. Er is momenteel een verschuiving gaande van de ontwerpfase naar de assemblage-, verpakkings- en testfasen. Deze fasen zijn samen goed voor 70-80% van de productiekosten, maar werden tot voor kort door veel partijen over het hoofd gezien. Testen zal cruciaal zijn om het vertrouwen van de markt te winnen wat betreft verwachte opbrengst en prestaties van fotonische producten.”
Tienvoudige capaciteitsverhoging
PITC nam het initiatief tot dit Metrologie-programma om de barrières voor marktacceptatie te verlagen en het marktvertrouwen te vergroten. Het programma richt zich op het ontwikkelen van design-for-test-methoden en nieuwe tools voor productkarakterisering en testautomatisering. “Het is onze ambitie om productontwikkelingscycli met drie maanden te verkorten. Door ‘right first time’ ontwerp mogelijk te maken, voorkomen we onnodige en dure herhalingen in de ontwerpfase”, zegt Latkowski, die ook fungeert als programmaleider Metrologie. “Nieuwe testtools zullen de testcapaciteit drastisch verhogen. Afhankelijk van de complexiteit van het product moet de doorvoersnelheid gemiddeld toenemen van minuten naar seconden. Blijkt dit onhaalbaar, dan kunnen grootschalige parallelle testprocedures als alternatief dienen. Al met al streven we naar een capaciteitsverhoging met een factor tien. Ook analyse van data over de productiedoorloop kan hieraan bijdragen.”
Maatwerksystemen
VTEC Lasers & Sensors, gevestigd in Eindhoven, is een van de consortiumpartners van het programma. VTEC levert innovatieve oplossingen met als specialisme de integratie van optica en data voor het ontwikkelen van maatwerksystemen voor uiteenlopende markten, waaronder telecommunicatie, maakindustrie, milieu en satellietcommunicatie. CEO Jan Mink legt uit: “We ontwerpen chips voor een breed scala aan toepassingen, van transceivers voor 5G-communicatie tot gedeeltelijk op licht gebaseerde multisensoren voor gebouwautomatisering. Testen en meten behoren tot onze grootste uitdagingen. We hebben speciale testengineers in dienst en onze ontwerpers testen ook, om hun ontwerpen af te stemmen op de klanteisen en productieverliezen te voorkomen.”
Voorspellende testmethoden
Veel productkenmerken zijn in het lab te meten, vervolgt Mink. “In productie hebben we echter een simpele indicator nodig die ons vertelt of we een verkoopbaar of een onverkoopbaar product aan het maken zijn. Als we in een vroeg stadium nauwkeurige metingen kunnen doen die een goede voorspelling geven van de uiteindelijke productkwaliteit, kunnen we de kostbare productie- en verpakkingsstappen voorkomen voor producten die na verpakking niet blijken te werken.” Metrologie helpt om de opbrengst aan chips te verhogen, bevestigt Latkowski. “Met adequate testprocedures kun je het productieproces snel naar het verwachte niveau te brengen.” Mink vult aan: “We hebben voorspellende testmethoden nodig, met de juiste testapparatuur tegen de juiste kosten, om met een hoge betrouwbaarheid de stap te zetten van kleine naar grote volumes. Dit is precies het onderwerp van het werkpakket waaraan wij leiding geven. Dit programma biedt ons een platform om verschillende testtechnologieën te verkennen, bijvoorbeeld om de testtijd te verkorten en onze metingen uit te breiden naar het 100 Gbit/s-bereik, en om de toeleverketen voor fotonica beter te leren kennen.”
Leren van het testen van elektronica
Het consortium van het Metrologie-programma bestaat uit experts in het testen van elektronica en leveranciers van geautomatiseerde testapparatuur. Latkowski legt uit dat deze bedrijven hun portfolio van testsystemen kunnen uitbreiden met geïntegreerde fotonica door te leren over nieuwe soorten signalen en materialen. “Zo kunnen ze profiteren van het programma, terwijl omgekeerd hun expertise in het testen van elektronica de fotonicabedrijven ten goede zal komen, omdat halfgeleidertechnologie dertig jaar voorloopt op het gebied van grootschalige productie. Samen kunnen de partners werken aan de ontwikkeling van nieuwe testprocedures voor de integratie van elektronica en fotonica, bijvoorbeeld in de assemblage- en verpakkingsprocessen.”
Impact
De technologische uitkomsten van het Metrologie-programma zullen een directe economische impact hebben, verklaart Latkowski. “Het verkorten van de ontwikkeltijd en het verbeteren van de testcapaciteit zal bijdragen aan een versnelde marktintroductie en een snellere marktpenetratie voor geïntegreerde fotonica.” Uiteindelijk heeft dit impact op de samenleving, vult Mink aan. “In ons privé- en professionele leven zijn tele- en datacommunicatie erg belangrijk. We gebruiken steeds meer bandbreedte, wat leidt tot een verhoogd stroomverbruik door datacenters. Met geïntegreerde fotonica kan deze trend worden doorbroken, wat cruciaal is voor de energietransitie waar de wereld nu middenin zit.” Latkowski voegt daar nog aan toe: “Geïntegreerde fotonica zal een groot deel van ons alledaagse leven gaat uitmaken, zonder dat we het merken.”
Talentontwikkeling
Naast toegepast onderzoek richt het Metrologie-programma zich ook op talentontwikkeling, in reactie op het tekort aan technisch geschoolde mensen die verstand hebben van het ontwerpen, produceren en toepassen van geïntegreerde fotonica. Met Fontys Hogeschool Eindhoven is een samenwerking aangegaan om engineers op te leiden in fotonica.
Ook wordt er een stageprogramma opgezet zodat leerlingen een half jaar bij een bedrijf ervaring op kunnen doen. “De studenten leren hier heel veel van in korte tijd en bedrijven zien direct resultaat van de verschillende projecten”, aldus Latkowski. “Salland Engineering is bijvoorbeeld begonnen met het opkrikken van de fotonische vaardigheden van z’n medewerkers.” De inzet voor talentontwikkeling heeft al vruchten afgeworpen, vult Mink aan. “We hebben nu drie studenten van Fontys die aan fotonicaprojecten werken.”
Internationale uitnodiging
Geïntegreerde fotonica zal tegen het jaar 2025 zijn uitgegroeid tot een miljardenmarkt. Het zal bijdragen aan het oplossen van grote maatschappelijke uitdagingen, uiteenlopend van energie-efficiënte communicatie en gegevensverwerking tot gezondheidsmonitoring. Het Photonic Integration Technology Centre (PITC), opgericht in het wereldwijd toonaangevende Nederlandse fotonica-ecosysteem, heeft tot doel de introductie van geïntegreerde fotonica te versnellen door de kloof tussen onderzoek en toepassing te overbruggen.
Het Metrologie-programma heeft nog ruimte voor geïnteresseerde bedrijven, zegt Latkowski. “De succesvolle start heeft aangetoond dat er behoefte is aan een neutraal platform voor technologieontwikkeling, waar partners kunnen beslissen wat zinvol is om met anderen te delen en wat vertrouwelijk moet blijven omdat het hen onderscheidend maakt. De deelname van FiconTEC uit Duitsland en APEX Technologies uit Frankrijk toont aan dat het programma voorziet in een internationale behoefte. Vanuit internationaal perspectief is het Metrologie-programma absoluut een voorloper. Dat heb ik zelf kunnen vaststellen door mijn deelname aan de roadmapping-activiteit voor geïntegreerde fotonische systemen bij PhotonDelta en MIT Microphotonics Center, waar we fotonische ecosystemen van over de hele wereld bij hebben betrokken.”
Link magazine editie oktober 2022 | jaargang 24 thema: Afspraken maken en ze ook nakomen. Lees Link digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl’
Het Metrologie-programma is het eerste grote onderzoeksprogramma van PITC. Het consortium bestaat uit ontwerpers van geïntegreerde fotonica (BRIGHT Photonics), producenten van fotonische chips (SMART Photonics), leveranciers van fotonische producten (VTEC en PhotonFirst) en leveranciers van geautomatiseerde testapparatuur (Salland Engineering, FiconTEC en APEX Technologies). Het programma heeft een meerjarenplanning en een startbudget van circa vijf miljoen euro, 50/50 beschikbaar gesteld door PhotonDelta en de deelnemende bedrijven. Een jaarlijkse evaluatie biedt de industriële partners de mogelijkheid om het verloop van het programma bij te stellen en daarnaast kan het budget worden verhoogd. Dat laatste is te danken aan de inspanningen van PITC. Dit bedrijf heeft zijn financiering veilig gesteld door aanvragen bij het Europese REACT-EU-programma en bij het Nationaal Groeifonds via de investeringsprogramma’s NextGen Hightech en PhotonDelta.
Het Photonic Integration Technology Centre (PITC) heeft tot doel de introductie van geïntegreerde fotonica te versnellen door de kloof tussen onderzoek en toepassing te overbruggen. De toepassing van fotonische chips gaat helpen bij het oplossen van grote maatschappelijke uitdagingen, variërend van verkeersveiligheid en gezondheidsmonitoring tot energiezuinige dataverwerking en gegevensbeveiliging. PITC is opgericht door de Technische Universiteit Eindhoven, de Universiteit Twente, de Nederlandse organisatie voor toegepast wetenschappelijk onderzoek TNO en Photon Delta, het internationaal toonaangevende ecosysteem voor geïntegreerde fotonica. Als gezamenlijk innovatiecentrum is PITC gevestigd in de buurt van de twee belangrijkste fotonische technologiehubs in ons land: NanoLab Eindhoven en NanoLab Twente, waarvan de technologieplatforms – respectievelijk indiumfosfide en siliciumnitride – toonaangevend zijn in de mondiale fotonica-industrie.
Bedrijven die geïnteresseerd zijn in deelname aan het Metrologie-programma kunnen contact opnemen met PITC business development manager Jan-Laurens van der Steen, via jan-laurens.vandersteen@pitc.nl.
