Faster, lighter, more durable, and ultimately also cheaper: the advantages of photonic circuits are considerable, for a wide range of applications. And the Netherlands plays an important global role in the development and application of this key technology. In recent years, partly due to the policies of the government, provinces, and Brainport, PhotonDelta has laid a solid foundation under the Dutch photonics ecosystem. Thanks to the work of the technical universities and institutions such as TNO and imec, there is a strong knowledge base, specialization on two essential production platforms, and a supply chain that provides prototyping and initial production.
Staying ahead of the competition
Thanks to these developments, the Netherlands has acquired a distinctive position in integrated photonics at the global level. Now it is time for a series of follow-up steps, says PhotonDelta director Ewit Roos. "In this way, we can stay ahead of the competition and strengthen Europe's intended strategic autonomy in photonics."
What is integrated photonics?
Photonics is similar to electronics. However, instead of electrons, it uses photons (light) to transmit information. Photonic technology detects, generates, transports, and processes light. Current applications include solar cells, sensors, and fiber-optic networks.
Photonic chips, also called Photonic Integrated Circuits (PICs), integrate various photonic and often electronic functions into a microchip to make smaller, faster, and more energy-efficient devices. This is very much visible in, for example, data centers: by harnessing the power of light, PICs can process and transmit data more effectively than their electronic counterparts. As with traditional chips, the manufacturing process is via automated wafer-scale technology. This allows the chips to be mass-produced, thus reducing costs.
The current technology revolution - driven in part by increasing demand for digital solutions - is accelerating the creation of data and digital devices. Electronic microchip technology cannot keep pace with that development. Integrated photonics offers a sustainable solution to society's energy consumption and technological challenges. The ultimate application range is broad, from energy-efficient data communication to sensors for medical applications and battery management in cars.
The Dutch ambition stems from two developments, says Roos: "The digitizing world needs photonic functions to tackle the major challenges of our time and Europe is ready to take up a strategic position in the various value chains. The Netherlands is taking the lead in this, in close cooperation with other European partners. R&D, logistics, operational and industrial: we are deploying our wealth of knowledge and experience to take up a position in this rapidly growing global market."
No substitute for electronics
Roos sees several underlying explanations for the growing importance of photonics. The lower energy footprint of transport with light (photons) and the enormous demands on sensors to sometimes recognize, smell or measure themselves remotely and real-time cannot be done without light technology and the low-loss transport properties of certain photonic circuits that are essential for quantum computing, for example. "Light has different applications than electricity. Light will therefore never be able to replace electronic circuits. That is why there is so much interest from the semiconductor industry in integrating photonic functions into or alongside electronics: it enriches and enables new applications."
Health, agrifood, mobility, data & telecom (see also the box at the bottom of this article) are perhaps the most obvious sectors to benefit from photonic solutions. Roos: "We all know by now what is in store for us in terms of the energy consumption of data centers. It is a misconception, however, that integrated photonics is the answer to this problem; first of all, a multitude of other factors need to be addressed. However, integrated photonics can no longer be ignored as a technology to keep up with the relentless growth in data traffic. Without photonics, Netflix would be a faltering slideshow in the living room. Or look at the use of photonic sensors in medical and agricultural applications, or in the aircraft industry: examples that underscore the enormous importance of this technology. For the development of quantum computing, integrated photonics is even indispensable."
What is PhotonDelta?
PhotonDelta provides an end-to-end supply chain that designs, develops, and produces applications with photonic chips. Intensive collaboration among all participants and partners is at the heart of the initiative, from start-ups to photonics research institutions, all specialists in the design and manufacture of integrated photonics technology. Together, they are driving breakthrough innovations in the application of light to solve some of the world's biggest problems.
Based in the Netherlands, a country at the forefront of integrated photonics research, PhotonDelta partners are pioneering new products and solutions in multiple markets and product domains. PhotonDelta connects pioneers in the field of integrated photonics with investors and viable markets. In this way, market acceptance is accelerated and facilitates the realization of groundbreaking innovations with photonic chips.
Position in the global market
What the sector is now up against is the phase of further industrialization, which involves economies of scale (i.e. cost reduction per PIC) and integration on the existing large production platforms of the existing semiconductor industry. For Roos, there is no doubt: "The world sees this potential and is investing in it. As an ecosystem, but also in a European context, we are of course anticipating this by excelling and concentrating on what we are good at. Only then can we take a position in those global value chains."
This requires strategic choices. The PhotonDelta is definitely not yet in industrial prime. But its ecosystem does potentially already have a full supply chain and two PIC production platforms Indium Phosphide (InP) and Silicon Nitride (SiN), next to imec's Silicon Photonics (SiPh) pilot line. "These are needed separately or in combination in many (partial) solutions, so it is important to be connected to the international value chains where those solutions are made. That can be in the Netherlands, after all, we also have a well-functioning 'packaging & assembly' activity, or as co-production in a foreign factory." Either way, it is essential to connect the Dutch platforms to the international and complementary production platforms. For example, a stone's throw from the Dutch border, in Leuven, there’s imec's globally recognized expertise and international ecosystem on Silicon Photonics. An interregional collaboration ensures that the Dutch specialty platforms can develop in full synergy with the high-volume CMOS-based Silicon Photonics platforms that are now being rolled out internationally.
The key is to have - at least - the right and best ingredients needed for a particular end product, says Roos. "For example, a LIDAR for an autonomous vehicle or a measurement module to monitor the shock resistance of a tower block in Taipei. And that's what we're focusing on: we're building the most complete library of building blocks possible so that the world comes to us to get the PIC or assembled modules they need for the applications they want to make."
Attracting additional business
The consequence, the PhotonDelta director assures us, is that you build up a position in various value chains because you can offer PIC or modules with world-class functionality at the best price. This in turn will also lead to additional activity in the Netherlands itself. "The ecosystem attracts not only money but also companies from abroad. So that's what the Netherlands is steering towards as well."
There is no time to lose, says Roos, especially because of the cut-throat competition from countries where government support is much more natural than in the strictly regulated Europe. International cooperation is desperately needed, he emphasizes. The big players in the existing chip industry are being watched closely, but that certainly also goes for the world-renowned research institute imec, which has its headquarters in Leuven but also has several branches in the Netherlands. "Imec is a world leader in applied research for the semiconductor industry and the right partner to achieve a top position with integrated photonics as well." Imec Netherlands has joined Photondelta from Holst Centre in Eindhoven, also to further strengthen the collaboration with Leuven in this way. PhotonDelta will make use of imec's world position on SiPhotonics, a third production platform alongside InP and SiN.
Economic sustainability
PhotonDelta expects that the continued development of the European photonics ecosystem will lead to benefits beyond its own sector. "Photonics stimulates innovation and activity but also ensures an attractive business climate and attracts capital. Both are important conditions for economic sustainability. Around PIC production, a shell of specialized design firms will emerge whose building blocks will allow them to efficiently convert the requirements from individual market segments into chip designs. It is certainly conceivable that their customers would also want to establish themselves in the immediate vicinity of such a cluster."
Moreover, according to Roos, the Netherlands benefits because all relevant economic activities in the value chain can be carried out there. From equipment development to sales, research, product innovation, design, production, and final assembly.
The many applications of Photonics
Those who get lost in all the details of the fascinating technology behind photonics would almost forget that ultimately it is about the applications that can make an important contribution to the solution of our major social issues. The most obvious areas are data & telecom, health, mobility, and agritech. The success of these industries is, of course, not determined by photonic elements alone, but it is certainly facilitated by them.
Data & telecom
Global data traffic is doubling every two years. As the growth rate is likely to increase further in the future, optical communication and networking technologies are becoming essential to accommodate this growth in an energy-efficient and sustainable manner. The biggest challenge within this domain is the high energy consumption of data infrastructure. Without any savings made, the share of data and internet use is expected to be around 10% of global electricity consumption by 2027. This includes energy consumption by end-users on the one hand and data centers on the other. 5G, the Internet of Things, and artificial intelligence will further accelerate this. Photonics provides gains in speed, weight, and energy consumption.
Health
Major challenges for Europe in the field of life sciences and health are an aging society, the increase in age-related diseases, and rising costs of the healthcare system. The development of mobile, wearable photonic devices (combined with advanced biosensors for direct point-of-care diagnostics and treatment that measure the medical condition and well-being of the wearer) can contribute to early detection and diagnosis of diseases. And it can lead to an earlier and more targeted treatment. Photonics will eliminate the need for a visit to the hospital for many treatments or consultations.
Mobility
The biggest challenge in automotive in the near future lies in the availability of affordable sensors to enable autonomous driving at various stages. With the advantages of photonic chips (weight, speed, cost), the possibilities for self-driving transport are increasing. This has positive implications for road safety and lost travel time is made available again. Photonics can also mean a lot for battery management in electric vehicles and the control of traditional cars. For the aircraft industry, the emphasis is on sensor systems.
Agrifood
To feed a world population that is expected to reach 10 billion by 2050, a drastic increase in food production is needed. But this must be done in a sustainable way: without excess nitrogen or excess CO2 emissions and preferably also in a way in which animal proteins have made way for vegetable proteins. In addition, food safety is an important precondition. The solution lies in precision agriculture, something in which photonics can play a major role. Sensor systems that run on photonics ensure that all requirements regarding safety, health, and sustainability can be met.
Dutch version
Het fundament is gelegd - nu maakt de Nederlandse fotonicasector zich op voor de grote sprong voorwaarts
Sneller, lichter, duurzamer en onder aan de streep uiteindelijk ook goedkoper: de voordelen van fotonische circuits zijn aanzienlijk, voor een breed scala aan toepassingen. En Nederland speelt mondiaal een belangrijke rol in de ontwikkeling en toepassing van deze sleuteltechnologie. De afgelopen jaren is mede door het beleid van de overheid, provincies en Brainport onder aanvoering van PhotonDelta een stevig fundament gelegd onder het Nederlandse fotonica ecosysteem. Er is dankzij het werk van de technische universiteiten en instellingen als TNO en imec een sterke kennisbasis, een specialisatie op twee essentiële productieplatformen en een toeleveringsketen die voor prototyping en een beginnende productie zorgt.
De concurrentie vóór blijven
Nederland heeft zich dankzij deze ontwikkelingen op wereldniveau een onderscheidende positie verworven in geïntegreerde fotonica. Nu is het tijd voor een reeks vervolgstappen, zegt PhotonDelta-directeur Ewit Roos. “Op die manier kunnen we de concurrentie vóór blijven en de beoogde strategische autonomie van Europa op fotonica versterken.”
Wat is geïntegreerde fotonica?
Fotonica is vergelijkbaar met elektronica. In plaats van elektronen gebruikt het echter fotonen (licht) om informatie over te dragen. Fotonische technologie detecteert, genereert, transporteert en verwerkt licht. Huidige toepassingen zijn onder meer te vinden in zonnecellen, sensoren en glasvezelnetwerken.
Fotonische chips, in jargon Photonic Integrated Circuits (PICs) genoemd, integreren verschillende fotonische en vaak elektronische functies in een microchip om kleinere, snellere en energiezuinigere apparaten te maken. Dat is bijvoorbeeld heel erg aan de orde in datacenters: door gebruik te maken van de kracht van licht, kunnen PICs gegevens effectiever verwerken en verzenden dan hun elektronische tegenhangers. Het productieproces verloopt net als bij traditionele chips via automatische wafer-scale technologie. Dit maakt dat de chips in massa geproduceerd kunnen worden, zodat de kosten worden verlaagd.
De huidige technologische revolutie - deels gedreven door een toenemende vraag naar digitale oplossingen - zorgt voor een versnelling in de creatie van data en digitale apparaten. Elektronische microchiptechnologie kan met die ontwikkeling geen gelijke trend houden. Geïntegreerde fotonica biedt een duurzame oplossing voor het energieverbruik en de technologische uitdagingen van de samenleving. Het uiteindelijke toepassingsbereik is breed, van energiezuinige datacommunicatie tot sensoren voor medische toepassingen en batterijmanagement in auto’s.
De Nederlandse ambitie komt voort uit twee ontwikkelingen, zegt Roos. “De digitaliserende wereld heeft voor de aanpak van de grote opgaven van onze tijd behoefte aan fotonische functies. Én Europa staat klaar om daar in de uiteenlopende waardeketens een strategische positie in te nemen. Nederland neemt daarin, in nauwe samenwerking met andere Europese partners, het voortouw. R&D, logistiek, operationeel, industrieel: die schat aan kennis en ervaring zetten we in om positie te pakken in deze sterk groeiende wereldwijde markt’’.
Geen vervanger van elektronica
Roos ziet verschillende onderliggende verklaringen voor het groeiende belang van fotonica. De lagere energiefootprint van transport met licht (fotonen). De enorme eisen aan sensoren om soms zelf op afstand en real-time te herkennen, te ruiken of te meten kunnen niet zonder lichttechnologie en de ‘low-loss’ transporteigenschappen van bepaalde fotonische circuits die essentieel zijn voor bijvoorbeeld quantum computing. “Licht heeft andere toepassingsmogelijkheden dan elektriciteit. Licht zal daarom nooit de elektronische circuits kunnen vervangen. Daarom is de belangstelling vanuit de semiconductor industrie zo groot om fotonische functies meer en meer te integreren in of naast de elektronica: het verrijkt en maakt nieuwe toepassingen mogelijk.”
Health, agrifood, mobiliteit, data & telecom (zie ook het kader onderaan dit artikel) zijn misschien wel de meest in het oog springende sectoren die hun voordeel doen met fotonische oplossingen. Roos: “We weten allemaal inmiddels wat ons nog te wachten staat rond het energieverbruik van datacenters. Het is overigens een misvatting dat geïntegreerde fotonica het ei van Columbus is voor deze problematiek, daarvoor moet eerst nog een veelvoud aan andere factoren aangepakt worden. Wel is geïntegreerde fotonica niet meer weg te denken als technologie om de niet aflatende groei in het dataverkeer te kunnen bijhouden. Zonder fotonica zou Netflix een haperende diashow in de huiskamer zijn’. Of kijk naar het gebruik van fotonische sensoren in medische en agrarische toepassingen, of in de vliegtuigindustrie: voorbeelden die het enorme belang van deze technologie onderstrepen. Voor de ontwikkeling van quantum computing is geïntegreerde fotonica zelfs onontbeerlijk.”
Wat is PhotonDelta?
PhotonDelta biedt een end-to-end supply chain die applicaties met fotonische chips ontwerpt, ontwikkelt en produceert. De intensieve samenwerking tussen alle deelnemers en partners is de kern van het initiatief, van start-ups tot instellingen voor fotonica-onderzoek, allemaal specialisten in het ontwerpen en vervaardigen van geïntegreerde fotonica-technologie. Samen stimuleren ze baanbrekende innovaties in de toepassing van licht om enkele van 's werelds grootste problemen op te lossen.
Gevestigd in Nederland, een land dat vooroploopt op het gebied van geïntegreerd fotonica-onderzoek, pionieren de PhotonDelta-partners met nieuwe producten en oplossingen in meerdere markten en productdomeinen. PhotonDelta verbindt pioniers op het gebied van geïntegreerde fotonica met investeerders en levensvatbare markten. Op die manier krijgt de marktacceptatie een versnelling en faciliteert het de realisatie van baanbrekende innovaties met fotonische chips.
Positie op de wereldmarkt
Waar de sector nu tegenaan loopt is de fase van verdere industrialisatie, waarbij schaalvergroting (ofwel: kostenverlaging per PIC) en integratie op de bestaande grote productieplatformen van de bestaande semiconductor industrie aan de orde zijn. Voor Roos is er geen twijfel over: “De wereld ziet deze potentie en investeert daarin. Wij als ecosysteem maar ook in Europees verband, sorteren daar natuurlijk op voor door te excelleren en ons te concentreren op waar goed in zijn. Alleen dan kunnen we een positie pakken in die wereldwijde waardeketens.”
Dat vergt dus strategische keuzes. PhotonDelta is beslist nog niet in industriële topvorm. Toch beschikt het ecosysteem in aanleg wel al over een volledige supply chain en twee PIC productieplatformen Indiumfosfide (InP) en SiliciumNitride (SiN) en imec’s Silicon Photonics (SiPh) pilot line. “Deze zijn afzonderlijk of in combinatie nodig in veel (deel-)oplossingen en dus is het van belang om te zijn aangesloten op de internationale waardeketens waar die oplossingen worden gemaakt. Dat kan in Nederland zijn, we hebben immers ook een goed functionerende ‘’packaging en assemblage’’ activiteit, of als co-productie in een buitenlandse fabriek.” Hoe dan ook is het essentieel om de Nederlandse platformen aan te sluiten op de internationale en complementaire productieplatformen. Zo hebben we op een steenworp afstand van onze grens, in Leuven, de wereldwijd erkende expertise en het internationale ecosysteem van imec op Silicon Photonics. Een interregionale samenwerking zorgt ervoor dat de Nederlandse specialty platformen zich in volle synergie kunnen ontwikkelen met de hoog-volume CMOS gebaseerde Silicon Photonics platformen die nu internationaal worden uitgerold.
Zaak is om in ieder geval de juiste en beste ingrediënten te hebben die nodig zijn voor een bepaald eindproduct, zegt Roos. “Bijvoorbeeld een LIDAR voor een autonoom voertuig of een meetmodule om de schokbestendigheid van een torenflat in Taipei in de gaten te houden. En dat is waarop we ons concentreren. We zijn bezig met de opbouw van een zo compleet mogelijke bibliotheek aan bouwblokken. Zodat de wereld naar ons komt om de PIC of afgemonteerde modules te halen die ze nodig hebben voor de applicaties die ze willen maken.”
Extra bedrijvigheid aantrekken
De consequentie daarvan is, zo verzekert de PhotonDelta-directeur, dat je in verschillende waardeketens een positie opbouwt omdat je PIC of modules kan aanbieden met wereldklasse functionaliteit tegen de beste prijs. Dat zal ook in Nederland zelf weer tot extra bedrijvigheid leiden. “Het ecosysteem trekt niet alleen geld, maar ook bedrijven aan uit het buitenland. Dus daar stuurt Nederland ook op aan.”
Er is, vooral door de moordende concurrentie vanuit landen waar overheidssteun veel vanzelfsprekender is dan in het streng gereguleerde Europa, geen tijd te verliezen, zegt Roos. Internationale samenwerking is hard nodig, benadrukt hij. Daarbij zijn grote spelers in de bestaande chipindustrie in beeld, maar zeker ook het wereldvermaarde onderzoeksinstituut imec, met het hoofdkwartier in Leuven, maar met ook meerdere vestigingen in Nederland. “Imec is wereldleider op toegepast onderzoek voor de semiconductor industrie en de aangewezen partner om ook met geïntegreerde fotonica een toppositie te kunnen realiseren.” Imec Nederland is vanuit Holst Centre in Eindhoven aangesloten bij Photondelta, ook om op die manier de samenwerking met Leuven verder te versterken. PhotonDelta zal gebruik maken van imec's wereldpositie op SiPhotonics, een derde productieplatform naast InP en SiN.
Economische duurzaamheid
PhotonDelta verwacht dat de doorontwikkeling van het Europese ecosysteem voor fotonica zal leiden tot voordelen die verder reiken dan de eigen sector. “Fotonica stimuleert innovatie en bedrijvigheid maar zorgt ook voor een aantrekkelijk vestigingsklimaat en aanzuigende werking van kapitaal. Beide zijn belangrijke voorwaarden voor economische duurzaamheid. Rond PIC-productie zal een schil van gespecialiseerde ontwerpbureaus ontstaan die met hun bouwstenen de wensen vanuit individuele marktsegmenten efficiënt kunnen omzetten naar chipdesigns. Het is zeker denkbaar dat ook hun klanten zich in de directe omgeving van een dergelijk cluster zouden willen vestigen.”
Bovendien profiteert Nederland volgens Roos omdat alle relevante economische activiteiten in de waardeketen, van apparatuur-ontwikkeling tot verkoop, onderzoek, productinnovatie, ontwerp, productie en finale assemblage, in Nederland kunnen worden uitgevoerd.
De vele toepassingen van Fotonica
Wie zich verliest in alle ins en outs van de fascinerende technologie achter fotonica, zou bijna vergeten dat het uiteindelijk natuurlijk gaat om de toepassingen. Die kunnen een belangrijke bijdrage bieden aan de oplossing van onze grote maatschappelijke vraagstukken. Meest in het oog springend daarbij zijn domeinen als data & telecom, health, mobiliteit en agritech. Het is niet zo dat het succes hiervan alléén door fotonische elementen wordt bepaald, maar innovaties worden er wel door gefaciliteerd.
Data & telecom
Het wereldwijde dataverkeer verdubbelt elke twee jaar. Aangezien het groeitempo in de toekomst waarschijnlijk nog verder zal toenemen, worden optische communicatie- en netwerktechnologieën essentieel om deze groei op een energie-efficiënte en duurzame manier op te vangen. De grootste uitdaging binnen dit domein is het hoge energieverbruik van de data-infrastructuur. Zonder besparingen zal het aandeel van data- en internetgebruik naar verwachting tegen 2027 ongeveer 10% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik bedragen. Het gaat hier enerzijds om energieverbruik door eindgebruikers, anderzijds ook om datacenters. 5G, Internet of Things en kunstmatige intelligentie geven daar nog een verdere versnelling aan. Fotonica levert winst op in snelheid, gewicht en energieverbruik.
Health
Belangrijke uitdagingen voor Europa op het gebied van biowetenschappen en gezondheid zijn een vergrijzende samenleving, de toename van ouderdomsziekten en stijgende kosten van het gezondheidszorgstelsel. De ontwikkeling van mobiele, draagbare fotonische apparaten (in combinatie met geavanceerde biosensoren voor directe point-of-care-diagnostiek en behandeling die de medische toestand en het welzijn van de drager meten) kan bijdragen aan vroege detectie en diagnose van ziekten. En aan eerdere en meer gerichte behandeling. Fotonica zorgt ervoor dat een bezoek aan het ziekenhuis niet meer nodig is voor veel behandelingen of consulten.
Mobiliteit
De grootste uitdaging in automotive ligt de komende tijd in de beschikbaarheid van betaalbare sensoren om autonoom rijden in verschillende fasen mogelijk te maken. Door de voordelen van fotonische chips (gewicht, snelheid, kostprijs) nemen de mogelijkheden voor zelfrijdend vervoer toe. Dat heeft positieve gevolgen voor de verkeersveiligheid en wordt verloren reistijd weer beschikbaar gemaakt. Ook voor batterijbeheer in elektrische voertuigen en de aansturing van traditionele auto’s kan fotonica veel betekenen. Voor de vliegtuigindustrie ligt de nadruk op sensorsystemen.
Agrifood
Om een wereldbevolking te voeden die naar verwachting 10 miljard mensen zal bereiken in 2050, is een drastische toename van de voedselproductie nodig. Maar dat moet dan wel op een duurzame manier gebeuren: zonder stikstofoverschot of overtollige CO2-uitstoot en liefst ook op een manier waarbij dierlijke eiwitten hebben plaatsgemaakt voor plantaardige. Daarnaast is voedselveiligheid een belangrijke randvoorwaarde. De oplossing ligt in de precisielandbouw, iets waar fotonica een grote rol kan spelen. Sensorsystemen die draaien op fotonica zorgen ervoor dat aan alle eisen rond veiligheid, gezondheid en duurzaamheid kan worden voldaan.
