Fotonica en radiosignalen komen samen in snelle draadloze datacommunicatie, zoals in 5G. Tegelijk gaan toepassingen van fotonica al veel verder dan alleen telecommunicatie. Niet zelden komt die vooruitgang uit onverwachte hoek. UT-onderzoeker David Marpaung (MESA+) onderzoekt bijvoorbeeld de combinatie van licht, radio en geluidsgolven, die hem in staat stelt filters van hoge kwaliteit te ontwerpen. In een ‘review paper’ in Nature Photonics geeft Marpaung zijn visie op de volgende fase in fotonische chips. Bijvoorbeeld over ‘neuromorphic’, brein-geïnspireerde optische computers.
Een enkele fotonische chip – een chip die niet werkt met elektronen, maar met licht -, kan het straks niet meer alleen, daarvan is Marpaung overtuigd. De trend is, slimme combinaties van materialen en tools te zoeken: alleen zo komen we tot de volgende generatie fotonica. Dat begint al bij zijn eigen onderzoek, waarin hij licht, radiofrequenties en akoestische golven combineert.
Licht afremmen
Fotonische chips zetten radiofrequenties om in licht dat met veel hogere frequenties werkt. Op die manier zijn snelle verbindingen te leggen tussen zendstations voor bijvoorbeeld de komende 5G standaard. Radio heeft als groot voordeel dat je heel scherpe filters kunt ontwikkelen, die precies zijn af te stemmen op het deel van de radioband dat je wilt gebruiken. Dat is ook nodig, want de ruimte is schaars. Eenmaal omgezet naar licht, is het veel lastiger om een goed filter te maken, alleen al door de grote snelheid van licht. Door akoestische golven – geluid met een heel hoge frequentie – te introduceren, is het licht even af te remmen, zodat ook in het optische domein filters zijn te ontwerpen. Dit heet ‘stimulated Brillouin scattering’ en Marpaung heeft voor het onderzoek een vidi-subsidie ontvangen van NWO.
Het paper in Nature Photonics, dat David Marpaung schreef samen met Jianping Yao van de Universiteit van Ottawa en Jose Campany van de Universiteit van Valencia, geeft een brede kijk op de toekomst en is een pleidooi voor het vinden van creatieve combinaties. Momenteel voeren drie materialen de boventoon in fotonica: siliciumnitride, indiumfosfide en silicium-op-isolator, ieder met hun eigen sterke punten en zwakten. De toekomst is aan ‘hybride’ systemen, met combinaties van materialen en technologieën. Recent werk van de UT laat bijvoorbeeld zien dat je fotonica ook kunt integreren in CMOS chiptechnologie, dat als groot voordeel de beschikbaarheid heeft van productie op grote schaal. Oplossingen komen ook van micromechanica. Als je voor een fotonica-chip lasers nodig hebt met verschillende kleuren licht, nemen die al gauw veel ruimte in beslag en ze verbruiken veel energie. Een kamvormige structuur van microresonatoren biedt uitkomst.
Flexibele processoren
Dankzij het samenkomen van verschillende disciplines, kan fotonica een veel grotere rol gaan spelen dan waar het ooit begon: in telecommunicatie en signaalverwerking. Inmiddels zijn lichtprocessoren te ontwikkelen die bestaan uit basiseenheden zoals ‘Mach-Zehnder interferometers’ die logische operaties kunnen uitvoeren. Die processoren zijn niet ‘dedicated’ voor één toepassing, ze zijn herconfigureerbaar. Marpaung ontwikkelt deze technologie momenteel samen met UT-spinoff LioniX. De UT heeft zelf een cluster van onderzoekers dat onder de noemer Applied Nanophotonics verschillende aspecten van het veld onderzoekt. De groepen maken deel uit van het MESA+ Instituut.
Spikes
Welke nieuwe toepassingsgebieden verwacht Marpaung? Hij ziet aansluiting bij quantumcomputers, maar ook bij computers geïnspireerd door de werking van het brein: ‘neuromorphic optical computers’. Als we weten dat het brein functioneert met vurende netwerken van neuronen, kunnen we die ‘spikes’ dan ook vertalen naar lichtsignalen en op een vergelijkbare manier gaan rekenen? Ook hier gaat het alleen werken als verschillende technologieën samenkomen.
David Marpaung (1979) promoveerde in 2009 aan de Universiteit Twente. Vervolgens werkte hij aan de Universiteit van Sydney, om begin 2018 terug te keren naar Twente als associate professor. In de Laser Physics and Nonlinear Optics groep van de UT, heeft hij een eigen groep die de focus legt op niet-lineaire nanofotonica en signaalverwerking.
Het review-artikel ‘Integrated microwave photonics’, door David Marpaung, Jianping Yao en Jose Capmany is online gepubliceerd door Nature Photonics op 21 januari 2019. Bron Universiteit Twente
