Fotonische geïntegreerde schakeling: computerchips die met licht werken
Een fotonische geïntegreerde schakeling, vaak afgekort als PIC (photonic integrated circuit), is een chip die informatie verwerkt en verstuurt met licht in plaats van met elektrische stroom. Waar een gewone computerchip elektronen door koperen draadjes stuurt, stuurt een fotonische chip fotonen — lichtdeeltjes — door piepkleine kanaaltjes die het licht op het oppervlak van de chip vasthouden en sturen, ongeveer zoals rails een trein op koers houden.
Het idee is vergelijkbaar met een glasvezelkabel, die je thuis internet brengt via lichtpulsjes door een glasdraad. Een fotonische geïntegreerde schakeling doet in feite hetzelfde, maar dan geschrompeld tot de afmetingen van een postzegel, met tientallen tot honderden optische onderdelen op één plakje materiaal. Die onderdelen zijn niet los gesoldeerd zoals bij klassieke laserapparatuur, maar in één fabricagestap op de chip meegeproduceerd, net zoals transistors op een elektronische chip.
Wat is het precies?
De basis van elke fotonische chip is de golfgeleider: een smal, langwerpig kanaaltje van een materiaal dat licht beter geleidt dan zijn omgeving, waardoor het licht erin opgesloten blijft en de gewenste route volgt. Deze golfgeleiders vormen samen een soort minicircuit voor licht, met bochten, splitsingen en kruisingen die op de chip zijn getekend.
Voor de golfgeleiders zelf wordt vaak silicium gebruikt, hetzelfde materiaal als in gewone computerchips. Dat heet silicon photonics en is aantrekkelijk omdat fabrieken die al elektronische chips maken, met kleine aanpassingen ook fotonische chips kunnen produceren. Silicium heeft echter een nadeel: het is zelf een slechte lichtbron en kan geen efficiënte laser vormen. Daarom wordt voor de laser vaak een ander materiaal gebruikt, indiumfosfide, dat wel goed licht kan uitzenden en soms als apart chipje aan de siliciumchip wordt gekoppeld. Een derde veelgebruikt materiaal is siliciumnitride, dat licht met weinig verlies geleidt en geschikt is voor precieze toepassingen zoals sensoren.
Naast de golfgeleider en de laser bevat een typische fotonische chip een modulator, die een elektrisch signaal omzet in een lichtsignaal door de lichtbundel razendsnel aan en uit te knijpen of te vertragen. Er is een golflengte-multiplexer, die meerdere kleuren licht — elk met zijn eigen datastroom — samenvoegt op één golfgeleider, zodat één kanaaltje tegelijk meerdere signalen kan vervoeren. En er is een fotodetector, die het binnenkomende licht weer omzet in een elektrisch signaal dat de rest van de elektronica kan lezen.
De chips worden gemaakt met lithografietechnieken die sterk lijken op die van de elektronica-industrie: patronen worden met licht of elektronenbundels op een plak silicium overgebracht, laag voor laag. Een lastig punt is de verbinding met de buitenwereld: het licht moet uiteindelijk in en uit een glasvezelkabel, en die twee moeten met submicrometer-precisie op elkaar worden uitgelijnd. Deze koppeling en de verpakking van de chip zijn in de praktijk vaak duurder en lastiger dan het maken van de chip zelf.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is bandbreedte: hoeveel data er per seconde tussen chips, servers of datacenters heen en weer kan. Koperen bekabeling raakt bij hoge snelheden fysiek beperkt en verliest energie in de vorm van warmte. Licht kan veel meer data per kanaal vervoeren, met minder energieverlies over lange(re) afstanden.
Dat is vooral urgent geworden door de opkomst van kunstmatige intelligentie. AI-modellen draaien op clusters van duizenden rekenchips die voortdurend enorme hoeveelheden data met elkaar moeten uitwisselen. Dat verbruikt veel stroom en genereert veel warmte als het via koperdraad gebeurt; optische verbindingen kunnen dat energieverbruik per verstuurd bit omlaag brengen.
Een tweede doel is miniaturisatie en kostenreductie: veel optische systemen bestaan nu nog uit losse onderdelen — een laser hier, een lens daar, een detector ergens anders — die apart gemaakt, uitgelijnd en gemonteerd moeten worden. Door dat allemaal op één chipje te integreren, hopen ontwikkelaars optische systemen goedkoper, kleiner en betrouwbaarder te maken, net zoals de geïntegreerde schakeling dat decennia geleden deed voor elektronica.
Verder ziet men toepassingen buiten telecom en datacenters: in sensoren, zoals lidar voor auto's die met licht afstanden meet; in medische diagnostiek, waarbij een chip chemische of biologische signalen optisch analyseert; en op langere termijn mogelijk in rekenen zelf, waarbij licht in plaats van stroom berekeningen uitvoert, en in kwantumcomputers die individuele lichtdeeltjes als informatiedrager gebruiken.
Voorbeelden uit de praktijk
Intel behoort tot de eerste bedrijven die silicon-photonics-technologie op grote schaal commercieel maakten, met optische transceivers (zend-ontvangers) die datacenters gebruiken om servers onderling te verbinden. Deze producten worden sinds het midden van de jaren 2010 in serieproductie geleverd en vormen een van de weinige fotonische toepassingen die inmiddels op grote schaal en routinematig wordt ingezet.
In Nederland is PhotonDelta het belangrijkste initiatief. Deze organisatie, gevestigd in de regio Eindhoven, probeert de Nederlandse fotonica-industrie op te schalen van onderzoek naar massaproductie, met steun vanuit het Nationaal Groeifonds. Een centrale speler daarbij is Smart Photonics, een foundry — een fabriek die chips in opdracht van andere bedrijven produceert — gespecialiseerd in indiumfosfide-chips, gevestigd in Eindhoven.
De Amerikaanse startup Lightmatter ontwikkelt fotonische chips die specifiek bedoeld zijn om AI-berekeningen te versnellen en om rekenchips onderling supersnel te verbinden, als alternatief voor de klassieke elektrische verbindingen tussen chips in een datacenter.
PsiQuantum gebruikt fotonen als kwantumbits (qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer) en werkt samen met chipfabrikant GlobalFoundries om zijn fotonische kwantumchips op bestaande halfgeleiderproductielijnen te kunnen maken, in plaats van in aparte, kleinschalige laboratoriumopstellingen.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per toepassing. Optische transceivers voor telecom en datacenters zijn commercieel volwassen: ze worden al jaren in grote volumes geproduceerd en verkocht, en de techniek is betrouwbaar genoeg voor dagelijks gebruik in kritieke infrastructuur.
Nieuwer, en nog in opmars, is co-packaged optics: het direct naast of zelfs in hetzelfde pakket als de rekenchip plaatsen van optische onderdelen, in plaats van als los kastje aan de rand van een server. Dit moet energieverlies en vertraging verder terugdringen, vooral voor AI-hardware, en wordt door meerdere grote chipmakers en foundries ontwikkeld, maar is nog niet op de schaal van reguliere elektronica ingeburgerd.
Fotonisch kwantumcomputen en optisch rekenen — waarbij licht zelf berekeningen uitvoert in plaats van alleen data te vervoeren — bevinden zich nog in een vroege onderzoeksfase. De onderliggende natuurkunde werkt in het laboratorium, maar het opschalen naar praktisch bruikbare, foutbestendige systemen is een openstaand probleem waarvan niemand met zekerheid kan zeggen wanneer het is opgelost.
De grootste obstakels voor de hele sector zijn schaarse productiecapaciteit — er zijn wereldwijd veel minder foundries voor fotonische chips dan voor elektronische chips — gebrek aan brede standaardisatie tussen materialen en fabrikanten, en de hoge kosten van het koppelen van chips aan glasvezel en van de uiteindelijke chipverpakking. Ook het feit dat silicium zelf geen goede lichtbron is, blijft een structurele complicatie die extra materialen en fabricagestappen vereist.
Wie werken eraan?
Aan de kant van grote chipbedrijven zijn onder meer Intel, Nvidia, TSMC, GlobalFoundries en Marvell actief in silicon photonics en optische interconnects, vaak met het oog op AI-datacenters. Gespecialiseerde spelers zijn onder andere Lightmatter, PsiQuantum, Ayar Labs, Ranovus en POET Technologies.
Op onderzoeksgebied speelt imec in Leuven, België, een centrale rol als een van de belangrijkste Europese onderzoeksinstituten voor geïntegreerde fotonica en chiptechnologie in bredere zin. In de Verenigde Staten vervult het consortium AIM Photonics een vergelijkbare rol, gericht op het verbinden van onderzoek en industriële productie van fotonische chips.
Nederland heeft met het PhotonDelta-ecosysteem rond Eindhoven, waarin onder meer de TU Eindhoven en Smart Photonics samenwerken, een relatief prominente positie in deze nichesector opgebouwd. Internationaal zijn verder de Verenigde Staten en Taiwan (via chipfabrikant TSMC) zwaargewichten, en investeren ook China en Japan in fotonische chiptechnologie, al is over de precieze omvang en voortgang van die programma's minder publiek gedetailleerde informatie beschikbaar.