1. Introductie

In deze paragraaf leer je:

• wat het begrip fotonica inhoudt

• het belang en een aantal toepassingsgebieden van fotonica

“De verwachtingen van de volgende generatie chips zijn torenhoog. De zogenoemde fotonische chips kunnen apparaten kleiner, sneller en energiezuiniger maken. Nederland investeert er honderden miljoenen euro's in en wil daarmee uitgroeien tot een wereldspeler op het gebied van fotonica.” 

Met deze tekst begint een nieuwsartikel van de NOS van 1 december 2023. Het belang van de fotonische chip zou wel eens heel groot kunnen worden en Nederland wil hierin een leidende rol spelen. Nederland heeft veel kennis op dit gebied in huis. Veel mensen die in Nederland binnen de fotonica werken komen echter uit het buitenland, omdat er in Nederland te weinig mensen zijn die binnen deze tak van wetenschap zijn opgeleid. Des te belangrijker om jou als leerling vast met dit onderwerp bekend te maken. 

In deze lesmodule maak je kennis met een aantal belangrijke aspecten van fotonica en in het bijzonder de fotonische chip.

Bekijk ter introductie op deze lesmodule de volgende twee videofragmenten (beide uit een uitzending van NOS Nieuwsuur).  Als je op de afbeelding klikt kom je op de pagina terecht waarin het videofragment gestart kan worden.

We hebben inmiddels al een paar keer het woord fotonica gebruikt, maar wat wordt hier eigenlijk mee bedoeld? 

Licht en elektronica gaan al lange tijd hand in hand. Denk bijvoorbeeld aan een simpel lampje, waarbij met behulp van een elektrische stroom licht wordt geproduceerd. Andere bekende voorbeelden waarbij licht en elektronica gecombineerd worden zijn zonnecellen, beeldschermen, lasers, lichtsensoren, het glasvezelnetwerk en de al genoemde fotonische chip. De tak van wetenschap die zich bezighoudt met de wisselwerking tussen licht en elektronica wordt fotonica genoemd.  

De afgelopen jaren hebben wetenschappers die binnen de fotonica actief zijn ontdekt dat licht heel goed gebruikt kan worden binnen een microchip. Het biedt zelfs mogelijkheden die met de klassieke elektronische microchip niet te bereiken zijn. 

Zo’n microchip die werkt met fotonen (licht), in plaats van elektronen, wordt een fotonische chip genoemd. Maakt deze onderdeel uit van een geïntegreerd circuit dan spreekt men meestal van een PIC, wat staat voor “Photonic Integrated Circuit”.  

Door fotonica toe te passen in microchips kunnen niet alleen snellere en energiezuiniger apparaten worden ontwikkeld, maar het gebruik van de gunstige eigenschappen van licht levert ook nieuwe mogelijkheden op. Binnenkort zullen fotonische chips een belangrijke rol gaan spelen voor innovatieve sensoren. Een voorbeeld is de fotonische biosensor die gebruikt wordt voor vroege detectie van bijvoorbeeld kanker, hart- en vaatziekten en infectieziekten. Een andere toepassing van de fotonische chip is een micro-spectrometer, waarmee licht wordt gebruikt om de samenstelling van materialen te analyseren. Je kunt hierbij denken aan het analyseren van de rijpheid van tomaten, het analyseren van drugs en het onderzoeken van verschillende soorten kunststoffen. Door zo’n sensor in een smartwatch te integreren kan bijvoorbeeld voor een diabetespatiënt het glucosegehalte in het bloed worden bepaald zonder dat hij of zij geprikt hoeft te worden. Daarnaast worden op dit moment fotonische chips ontwikkeld voor LiDAR-systemen in bijvoorbeeld de zelfrijdende auto (LiDAR is een variant op de radar, waarbij licht wordt gebruikt om de afstand tot een object of oppervlak te bepalen). Een laatste ontwikkeling die misschien wel een erg belangrijke rol gaat spelen op vele terreinen en waar veel ogen in de natuurkunde op gericht zijn is de toepassing van de fotonische chips binnen kwantumtoepassingen, zoals de kwantumcomputer en quantum-encrypting (het coderen en versturen van berichten met behulp van kwantumeffecten). 

Zoals je hierboven al even hebt kunnen lezen en zien speelt Nederland wereldwijd een belangrijke rol in de ontwikkeling en de productie van fotonische chips en de mogelijke toepassingen ervan. In en rond de Universiteit Twente en de Universiteit Eindhoven wordt er veel op dit gebied gedaan. Hier zijn dan ook meerdere bedrijven te vinden die pioniers zijn op het gebied van het vinden van toepassingen en ontwikkelingen binnen de fotonica.

Hieronder staat een rijtje zaken die vaak een belangrijke rol spelen binnen de fotonische chip en die in deze lesmodule zullen worden behandeld.

• lichtbron (meestal een laser); 

• golfgeleiders (dat zijn kanaaltjes voor het transport van licht door de chip); 

• koppelaars (dat zijn onderdelen waar licht van het ene kanaaltje kan overgaan naar een ander kanaaltje); 

• interferometers (voor het meten en/of selecteren van golflengtes uit het gebruikte licht); 

• fotolithografie (dat is een techniek die bij de productie van chips wordt toegepast).