Fotonica

Een stralingsdeler met een 532nm-laser

Fotonica of opto-elektronica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met het genereren, transporteren, detecteren en manipuleren van fotonen.

Veel onderzoek in de fotonica is terug te voeren op de interactie tussen licht en elektrische stroom. Sommige componenten zijn in staat elektrische stroom om te zetten in licht (lichtbron), andere elementen kunnen licht omzetten in elektrische stroom (lichtdetector). De principes en reikwijdte van de fotonica komt overeen met de optica.

De ontwikkeling van de fotonica is nauw verbonden met de uitvinding van de laser, leds en de opkomst van optische vezels in de twintigste eeuw. Deze technologieën maakten het mogelijk om grote hoeveelheden data met minimale verliezen over lange afstanden te transporteren, wat de basis vormt van moderne telecommunicatienetwerken en het internet. Daarnaast speelt fotonica een rol in sensortechnologie, medische beeldvorming en spectroscopie.

Overzicht

Electronica vs fotonica

Elektronica is het vakgebied dat gebruikmaakt van elektronen voor het verwerken, opslaan en transporteren van informatie. Elektronische schakelingen worden toegepast in onder meer computers, communicatiesystemen en meetapparatuur. Sinds de jaren zestig neemt het aantal componenten op een geïntegreerde schakeling sterk toe. Deze ontwikkeling wordt vaak beschreven met de zogenoemde Wet van Moore, die stelt dat de rekenkracht van chips ongeveer elke twee jaar verdubbelt. De voortdurende verkleining en versnelling van elektronische schakelingen leidt echter tot een toenemende warmteontwikkeling. Het beheersen van deze warmte vormt een belangrijk aandachtspunt in het ontwerp van moderne microprocessoren en andere halfgeleidercomponenten.

Fotonica is een verwant technologiegebied dat niet werkt met elektronen, maar met fotonen. Fotonische schakelingen gebruiken optische signalen voor datatransmissie en -verwerking. Omdat lichtsignalen minder energieverlies en warmteproductie veroorzaken dan elektrische stromen, wordt verwacht dat fotonische chips bij hoge snelheden efficiënter kunnen functioneren. Onderzoek heeft aangetoond dat ook op het gebied van optische geïntegreerde schakelingen een ontwikkeling zichtbaar is die vergelijkbaar is met de Wet van Moore.

De algemene verwachting is dat elektronische chips voorlopig de belangrijkste rol blijven spelen in de meeste toepassingen, terwijl fotonische chips vooral zullen worden ingezet voor functies waarbij zeer hoge datasnelheden en lage warmteontwikkeling vereist zijn.

Fotonica en telecommunicatie

In 1964 stelde de natuurkundige Charles Kuen Kao voor om breedbandige telecommunicatiesystemen te ontwikkelen op basis van glasvezel. Voor zijn visie en zijn bijdragen aan de totstandkoming van optische communicatiesystemen ontving hij in 2009 de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Het voorstel van Kao leidde wereldwijd tot intensief onderzoek naar de praktische toepasbaarheid van glasvezelcommunicatie. Wetenschappers richtten zich op de ontwikkeling van glasvezels met zeer lage demping, op efficiënte lichtbronnen zoals halfgeleiderlasers, op gevoelige fotodetectoren en op de benodigde elektronica voor het aansturen en verwerken van optische signalen. Door de snel groeiende behoefte aan datatransport nam de capaciteit van optische netwerken in korte tijd sterk toe. De eerste systemen werkten met datasnelheden van ongeveer 140 megabit per seconde. Deze snelheden stegen vervolgens naar 560 megabit per seconde, 10 gigabit per seconde en nog aanzienlijk hoger.

In de eenentwintigste eeuw werden verdere doorbraken bereikt. In 2020 rapporteerden onderzoekers van Nokia Bell Labs een transmissiesnelheid van 1,52 terabit per seconde over een afstand van 80 kilometer via een standaardglasvezel. Verdere verhoging van de capaciteit werd mogelijk door nieuwe technieken, zoals het gebruik van glasvezels met meerdere kernen en door het toepassen van golflengtemultiplexing (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Met WDM kunnen meerdere datasignalen gelijktijdig over één vezel worden verzonden, elk op een andere golflengte.

In 2025 bereikte Japanse onderzoekers van het National Institute of Information and Communication Technologies een record van 1,02 Petabit/s over 1808 km, met een multikern glasvezel.

De voortdurende toename van datasnelheden heeft grote gevolgen gehad voor de ontwikkeling van fotonische componenten. Halfgeleiderlasers die als lichtbronnen dienen, moeten steeds sneller kunnen worden gemoduleerd. Ook de fotodetectoren moeten in staat zijn om extreem snelle lichtpulsen nauwkeurig om te zetten in elektrische signalen. Omdat de transmissiecapaciteit van glasvezel hoger is dan de snelheid waarmee afzonderlijke lasers kunnen worden aangestuurd, werden aanvullende technieken toegepast, zoals optische tijddomeinmultiplexing (Optical Time Domain Multiplexing, OTDM). Hierbij worden meerdere datastromen met lagere snelheid gecombineerd tot één zeer snelle optische datastroom, die bij de ontvanger weer wordt gescheiden.

Voor WDM-systemen werden speciale optische componenten ontwikkeld die verschillende golflengtes kunnen combineren en weer splitsen. In Nederland speelde Meint Smit een belangrijke rol in de ontwikkeling van dergelijke geïntegreerde fotonische schakelingen. Aanvankelijk verrichtte hij pionierswerk in Delft, later zette hij zijn onderzoek voort aan de Technische Universiteit Eindhoven binnen het onderzoeksinstituut COBRA. Daar werden op chips complete fotonische circuits gerealiseerd waarin lasers, modulators en WDM-componenten werden geïntegreerd.

Om optische signalen over steeds grotere afstanden te kunnen verzenden, zijn bovendien optische versterkers ontwikkeld. Deze versterken het lichtsignaal zonder dat omzetting naar elektrische signalen nodig is. Veelgebruikte typen zijn versterkers op basis van gedoteerde glasvezels (Doped Fiber Amplifiers, DFA) en halfgeleiderversterkers (Semiconductor Optical Amplifiers, SOA).

Begin jaren zestig werd, met name door Bell Laboratories in de Verenigde Staten, onderzoek gedaan naar het gebruik van laserlicht voor communicatie in de vrije ruimte. Een doorbraak bleef uit omdat de verbinding sterk werd beïnvloed door luchtturbulentie, regen en mist. Door de opkomst van glasvezelcommunicatie beperkte het onderzoek zich tot satellietcommunicatie.

Toch wordt opnieuw onderzoek gedaan naar dit onderwerp als alternatief voor glasvezel over afstanden tot enkele kilometers. Met nieuwe technieken kunnen storingen door turbulentie beter worden onderdrukt. Het voordeel is dat er geen kostbare grondwerken nodig zijn om een verbinding tot stand te brengen, waardoor een nieuwe verbinding snel kan worden gerealiseerd. Tussen de TU Eindhoven en de High Tech Campus is een testomgeving opgezet om de nieuwe technieken te onderzoeken. De TU/e vestigde in 2025 een wereldrecord met een verbinding van 4,6 km en een datasnelheid van 5,7 terabit/s.

Fotonica en dataverwerking

Naast datatransmissie zijn in telecommunicatiesystemen ook schakelcentrales nodig die informatie van een zender naar de juiste ontvanger leiden. Traditioneel gebeurt dit routeren met elektronische componenten. Aan het einde van de twintigste eeuw ontstond het idee om deze functies geheel of gedeeltelijk met fotonische technieken te realiseren. Een belangrijk concept in dit verband is de zogenoemde Optical Cross-Connect, ontstaan uit het werk van o.a. Goff Hill, waarbij optische signalen rechtstreeks, zonder omzetting naar elektrische vorm, kunnen worden geschakeld en gerouteerd. Dit zou snellere en energiezuinigere netwerken mogelijk maken. In Eindhoven deed Harm Dorren baanbrekend werk op dit gebied. Hier werd gewerkt aan fotonische schakelingen waarmee routerings- en signaalverwerkingsfuncties volledig in het optische domein kunnen worden uitgevoerd. Dergelijke systemen maken het mogelijk om grote hoeveelheden data met zeer hoge snelheden te verwerken. Om aan de toenemende vraag te blijven voldoen, moeten optische schakelaars voortdurend verder worden verbeterd, zowel wat betreft schakelsnelheid als capaciteit.

De belangstelling voor fotonische dataverwerking hangt samen met het hoge energieverbruik van moderne datacenters. De energie-efficiënte werking van het menselijk brein heeft wetenschappers geïnspireerd tot de ontwikkeling van zogenoemde neuromorfe fotonica. Hierbij worden fotonische circuits ontworpen die de manier nabootsen waarop neurale netwerken in de hersenen informatie verwerken. Door gebruik te maken van licht in plaats van elektrische stromen hopen onderzoekers reken- en communicatiesystemen te ontwikkelen die aanzienlijk energiezuiniger zijn dan huidige elektronische oplossingen.

Fotonica en databeveiliging

Optische signalen kunnen worden beveiligd met behulp van kwantumversleuteling. Bij deze methode is geen gebruik meer nodig van traditionele beveiligingscodes. In tegenstelling tot klassieke cryptografische technieken is kwantumversleuteling in principe niet te kraken, omdat elke poging tot afluisteren direct vaststelbaar is. De technologie is zo ver ontwikkeld dat er praktische veldproeven worden uitgevoerd. In Eindhoven is een testnetwerk opgezet dat onder meer de campus van de TU Eindhoven, de High Tech Campus Eindhoven, de Automotive Campus Helmond en WeConnect in Waalre met elkaar verbindt.

Fotonica en consumenten

Fotonische technologie speelt een belangrijke rol in tal van consumentenproducten. Een bekend voorbeeld is de toepassing van halfgeleiderlasers in cd-, dvd- en Blu-ray-spelers. Deze lasers worden gebruikt om de kleine putjes op optische schijven te lezen waarin digitale informatie is opgeslagen.

In de eerste generaties optische spelers werden infraroodlasers met een golflengte van ongeveer 780 nanometer toegepast. Naarmate de behoefte ontstond om meer gegevens op één schijf op te slaan, moesten de putjes op de schijf kleiner en dichter op elkaar worden geplaatst. Blu-ray-spelers maken daarom gebruik van blauwe lasers met een golflengte van circa 405 nanometer

Een andere grootschalige toepassing van fotonica is de lichtemitterende diode (LED). LEDs worden tegenwoordig op grote schaal gebruikt in verlichting, televisies, beeldschermen en diverse andere elektronische apparaten. Voor de productie van wit licht is het noodzakelijk de drie primaire kleuren licht rood, geel en blauw te combineren. Het ontwikkelen van een efficiënte blauwe LED bleek lange tijd technisch zeer moeilijk. Decennialang werd hier wereldwijd onderzoek naar verricht. De doorbraak werd uiteindelijk bereikt door de Japanse wetenschappers Isamu Akasaki, Hiroshi Amano en Shuji Nakamura. Hun werk maakte de massaproductie van blauwe LEDs mogelijk en vormde de basis voor moderne energiezuinige verlichting. Voor deze prestatie ontvingen zij in 2014 de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Componenten en materialen in de fotonica

Tot de belangrijkste lichtbronnen in de fotonica behoren niet de klassieke gloeilampen of tl-fluorescentielampen, maar leds (lichtemitterende diodes) en lasers, waarbij halfgeleiderlasers een centrale rol spelen. Ook plasmaschermen, CRT-kathodestraalbuizen, tft- en lcd-schermen vallen eronder. Bij de detectoren die binnen de fotonica vallen, horen onder andere vidicons en in het bijzonder CCD (ladingsgekoppelde devices) camera's en de fotodiode.

Kenmerkend voor fotonica is de veelvuldige inzet van 3-5- en 2-6-halfgeleiders in plaats van het klassieke silicium (en germanium). De fotonica gebruikt indiumfosfide (InP), galliumarsenide (GaAs) en aluminiumgalliumarsenide (AlGaAs). Ook indiumtelluride (InTe) en zinksulfide (ZnS) vinden toepassingen.

Ontwikkelingen

Toepassingen

Fotonische chips worden momenteel in de data- en telecomindustrie gebruikt om het energieverbruik per bit te verminderen en de datasnelheden te verhogen.

Daarnaast gaan de lichtchips een belangrijke rol spelen voor innovatieve sensoren die massaal kunnen worden geproduceerd. Een voorbeeld is de fotonische biosensor die gebruikt wordt voor vroege detectie van bijvoorbeeld kanker, cardiovasculaire- en infectieziekten. Een andere toepassing van geïntegreerde fotonica is een micro-spectrometer, waarmee licht wordt gebruikt om de compositie van materialen te analyseren. Denk hierbij aan het analyseren van de rijpheid van tomaten, het analyseren van drugs en het classificeren van verschillende soorten plastic. Daarnaast worden fotonische chips ontwikkeld voor lidar-systemen en fotonische kwantumcomputers.