Je leest:

Draait onze elektronica straks nog op elektriciteit?

Draait onze elektronica straks nog op elektriciteit?

De ontwikkeling van fotonica

Auteur: | 8 december 2017

Elektronica is doorgedrongen in ieder hoekje van de samenleving. Vrijwel alle apparaten werken met stroompjes die door elektrische circuits schieten. Maar het kan anders. In theorie kan licht de rol van elektriciteit op veel plekken overnemen.

Chipfabrieken wereldwijd draaien overuren. Onze honger naar elektronica lijkt amper te stillen. Smartphones, laptops, maar ook wasmachines, ledlampen, broodroosters en bankpasjes: onze wereld wordt gedomineerd door elektronica. De meeste chips maken gebruik van het halfgeleidende silicium, dat in de jaren zestig een uitstekend materiaal bleek te zijn om steeds ingewikkeldere elektronische schakelingen mee te bouwen.

3638446385 07acaf88c8 o
Het uiteinde van een bundel glasvezelkabels. Door een glasvezelkabel kan met licht veel meer informatie worden gestuurd dan een elektrische kabel van hetzelfde formaat.

Maar níet alle schakelingen die informatie verwerken gebruiken het populaire silicium, sterker nog: niet alle schakelingen gebruiken elektriciteit. Neem het internet. De ‘ruggengraat’ daarvan is een netwerk van glasvezelkabels die met licht grote hoeveelheden data over grote afstanden transporteren. Apparaten aan beide uiteinden van de glasvezelkabels zijn elektronisch, maar de data-overdacht zelf is elektriciteitsloos. Informatie versturen met licht is betrouwbaar, snel en zuinig. En er zijn meer beloften: elektronische systemen van nu zouden in de toekomst zuinige ‘fotonische’ systemen kunnen worden.

Fotonica is het vakgebied dat zich bezighoudt met informatiesystemen op basis van licht. Dat zijn niet alleen communicatienetwerken of apparaten, maar ook ultraprecieze sensoren. Neem de ‘lidar’, een soort radar die met licht de omgeving in kaart kan brengen. Of glasvezelkabels waarmee je de integriteit van materialen monitort.

Maar de fotonica kent uitdagingen: een echte transistor (of schakelaar, het belangrijkste component van elektronica) op basis van licht bestaat nog niet. En het is momenteel lastig om de sterk geminiaturiseerde elektronica ‘aan te sluiten’ op de doorgaans veel grotere fotonica. Waar staat het onderzoeksveld? En op welke punten kan fotonica het stokje van elektronica overnemen?

Intel tukwilla   2 miljoen transistoren op een chip
Een elektronische chip op basis van silicium.

Schakelen tussen elektronica en fotonica

Fotonica en elektronica zijn twee aparte domeinen die elkaar af en toe vinden in bepaalde toepassingen. Neem je computer, een duidelijk voorbeeld van elektronica. Stuur iemand een bericht en de kans is groot dat het bericht een deel van de weg niet als elektrisch signaal aflegt, maar als lichtsignaal. Zeker over lange afstanden is het aantrekkelijk om licht te gebruiken. In een datacentrum wordt het elektrische signaal omgezet in licht, het gaat door een glasvezelkabel, en wordt aan de andere kant van de kabel weer omgezet naar een elektronisch signaal.

Fotonica nadert het ‘elektronische hart’ van onze apparaten steeds meer, uiteindelijk komt het misschien wel ín de apparatuur terecht. Jurriaan Schmitz ziet de grens in ieder geval opschuiven. Hij is professor ‘halfgeleider componenten’ aan de Universiteit Twente, en werkt zelf aan het verbeteren van computerchips. “Die toenadering heeft onder andere te maken met de toenemende datastromen in computerchips in het algemeen, en in datacentra of supercomputers in het bijzonder. Het wordt steeds aantrekkelijker om licht te gebruiken als je grote hoeveelheden informatie verstuurt, dat is veel zuiniger”, zegt hij.

5405287724 2cb0e5638a o
Aanleg glasvezelkabel in de Verenigde Staten. In Nederland hebben nu een kleine drie miljoen huishoudens toegang tot een glasvezelverbinding, hierbij gaat het ‘lichtsignaal’ dus tot aan de deur. De meeste huishoudens communiceren overigens nog via een ‘elektronische’ telefoon- of tv-kabel.

Maar als dat zo is, waarom vervangen we dan niet accuut álle elektronische verbindingen? Zoals gezegd, het hart van onze apparaten is elektrisch, en dat zal nog lang zo blijven. Er moet een punt zijn waarop je de elektrische signalen uit de elektronica omzet naar lichtsignalen voor ‘transport’. Omdat je op dat punt energie verliest is het gunstig om optische datasignalen vooral over lange afstanden te gebruiken. “Volgens sommige elektronicaproducenten ligt de grens ruwweg bij een meter”, zegt Schmitz. “Onder die grens is het doorgaans gunstiger om gewoon een elektrische verbinding te gebruiken voor informatie, daarboven is licht beter. Ik denk dat die grens de komende tien jaar gestaag opschuift naar pakweg tien centimeter.”

Fotonica wordt nu vooral ingezet voor communicatie tussen verschillende elektronische apparaten, maar gaat het straks een rol spelen binnen de apparaten? Daar is wat betreft energieverbruik een wereld te winnen. Het verwerken van informatie – bijvoorbeeld het doen van een berekening – kost onvermijdelijk energie, maar dat hoeft niet te gelden voor het verplaatsen van informatie. Toch verdwijnt het grootste deel van de energie in een computerprocessor door het verplaatsen van informatie door elektronische verbindingen die opwarmen door hun elektrische weerstand. Wanneer je die verbindingen kan vervangen door optische verbindingen gaat dat energieverbruik drastisch omlaag.

Of we fotonica snel gaan zien in consumentenelektronica? Schmitz heeft zijn twijfels. “Als het al gebeurt dan duurt het nog tientallen jaren”, zegt hij. “Je ziet het nu al wel binnen grote supercomputers. Om het hoge energieverbruik te drukken worden daar al optische verbindingen gelegd over afstanden van enkele tientallen centimeters.”

Circuits scheiden met licht

Volvo xc90 t8 10
Microprocessoren sturen soms elektronica aan waar hoge vermogens doorheen gaan. Dat gebeurt in een elektrische auto, maar ook al in het elektrische raam van een auto. De gevoelige micro-elektronica moet ‘beschermd’ tegen hoge spanningen.
Volvo Cars

Fotonica vervult naast het doorgeven van informatie tegelijkertijd nog een andere functie: het isoleren van verschillende elektronische circuits. In apparaten komt het regelmatig voor dat circuits met een relatief hoge spanning, moeten communiceren met laagspanningscircuits. Een simpel voorbeeld is een microprocessor die een elektromotor aanstuurt – bijvoorbeeld een elektrisch autoraam – die met een hoger voltage werkt. Het gevaar is dat het hoge voltage overspringt en het laagspannigscircuit vernielt.

Er moet informatie worden verstuurd zonder een elektronische verbinding. “Dat kan met een transformator, of bijvoorbeeld met een ledje en een lichtontvanger”, zegt Schmitz. “Dat werkt, maar het zijn redelijk ‘lompe’ oplossingen, ze verbruiken relatief veel stroom en zijn niet geschikt voor het versturen van veel data. In onze onderzoeksgroep zoeken we manieren waarop we twee gescheiden elektronische circuits via licht efficiënt met elkaar verbinden. Dat lukt bijvoorbeeld Satadal Dutta, die recentelijk op zijn onderzoek promoveerde.”

Dutta maakte een ledje van ongeveer een tiende van een millimeter op een siliciumchip die zichtbaar licht produceert. Dat is vrij bijzonder, de meeste siliciumledjes schijnen namelijk infrarood licht. Die infrarode ledjes werkten weer niet goed samen met silicium-lichtsensors die gevoelig zijn voor zichtbaar licht. Daardoor is het onmogelijk om via licht informatie tussen deze onderdelen te verzenden. Dat gaat wél met de onderdelen van Dutta, die beide in het zichtbare spectrum werken.

Schmitz is blij met de vinding van zijn promovendus. Voorheen moest je twee losse circuits maken en nog een los circuit dat via licht de signalen tussen de circuits communiceert. Deze drie onderdelen kun je door de vinding van Dutta op dezelfde chip plaatsen, die je in een keer kunt produceren. “We werken samen met chipfabrikant NXP”, zegt Schmitz. “Ik heb de hoop dat zij dit verder kunnen ontwikkelen en uiteindelijk in hun schakelingen gaan gebruiken.”

Elektronica vervangen door fotonica

Zoals gezegd, ook sensortechnologie op basis van licht kan de ‘elektronische’ variant vervangen. Met signalen in glasvezelkabels is de integriteit van materialen (in bijvoorbeeld vliegtuigvleugels, gebouwen of dijken) te monitoren. En de opkomst van de zelfrijdende auto heeft de ontwikkeling van de zogenoemde lidar een boost gegeven, een soort radar die op basis van licht de omgeving in kaart brengt. Terwijl de eerste zelfrijdende auto’s met enorme en dure apparaten op het dak rondrijden, zijn nieuwe lidars kleiner, goedkoper en presteren beter.

Gezicht vanaf de dijk   den helder   20357076   rce
Met glasvezelkabels is het mogelijk om de integriteit van dijken over een lange afstand te monitoren. Kleine verschuivingen of vervormingen in de dijk (en dus in de kabel) zorgen ervoor dat het lichtsignaal door de kabel meetbaar verandert.

Schmitz is enthousiast over de ontwikkelingen in de fotonica, maar dat gaat vooral ‘achter de schermen’ plaatsvinden. “Geïntegreerde fotonica gaan we massaal gebruiken voor het internetverkeer, maar niet om een app op je smartphone te draaien”, zegt hij. “Er worden vanuit het onderzoek flinke beloftes gedaan op dit gebied, maar de industrie heeft inmiddels een halve eeuw ervaring hebben met het maken van elektronische circuits. Ze zijn daar bedreven in, en hebben er volop in geïnvesteerd. Het alternatief moet echt veel beter zijn voordat ze klassieke elektronica links laten liggen.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 december 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.