Nadat de dotcombubbel was geklapt, werd het even stil rond geïntegreerde fotonica. Nu zijn toepassingen echter weer dichter bij dan ooit, met name voor de cmos-gebaseerde variant. Standaardisatie is hierin een belangrijke stap, vertelt Twan Korthorst, ceo van het Enschedese Phoenix Software, een belangrijke speler op het gebied van tools voor fotonicaontwerp en -productie.
De term ‘geïntegreerde fotonica’ wordt al jaren gebezigd, maar de laatste tijd duikt hij steeds vaker op buiten onderzoekskringen. Afgaande op de pr-uitingen van bijvoorbeeld Intel zal siliciumgebaseerde optica de komende twaalf maanden een rol van betekenis gaan spelen in het datacentrum. En dat moet de opmaat vormen voor toepassingen uiteenlopend van het verbinden van computerapparatuur en -componenten tot aan allerhande sensoren.
Geïntegreerde fotonica is het equivalent in het lichtdomein van de geïntegreerde elektronica. Waar ic’s metalen sporen hebben om elektrische signalen te versturen, gebruiken fotonische circuits zogeheten waveguides: kanalen die een andere optische brekingsindex hebben dan het omliggende bulkmateriaal waar licht in opgesloten blijft.
De toepassingen zijn wel anders dan elektronische circuits; een equivalent van de transistor is er niet in het fotonische domein. Maar met microstructuren zijn wel allerlei andere dingen mogelijk. ‘Een veelgebruikte structuur is bijvoorbeeld de arrayed waveguide grating of AWG. Daarmee kun je een signaal in wel veertig kanalen uitsplitsen die in golflengte allemaal een paar nanometer uit elkaar liggen. Dat is in de jaren tachtig uitgevonden door Meint Smit, die al weer heel wat jaren professor is in Eindhoven’, vertelt Twan Korthorst, ceo van Phoenix Software uit Enschede. Ook bij zijn bedrijf merken ze de opwinding die er heerst rond het onderwerp. Phoenix Software is niet groot in absolute termen, maar wel binnen de software voor micro- en nanotechnologie: mems, microfluïdica, geprinte elektronica en, op dit moment als belangrijkste onderdeel, fotonica.
Het bedrijf van Korthorst levert software voor aan de ene kant de ontwerpers van de circuits en aan de andere kant de fabs die ze moeten maken. In het voorjaar haalde het vers kapitaal op bij investeerder Panthera Group, specifiek bedoeld om de tools verder te ontwikkelen waarmee geïntegreerde-fotonica-ontwerpen de stap naar de fab kunnen maken. ‘Er is nu een soort consensus aan het ontstaan in de wereld dat silicium-fotonicatechnologie het beste is voor grootschalige toepassingen. Zo komt er wat meer gefocuste research en krijg je de kans om het volwassener te maken’, verklaart Korthorst de plotselinge belangstelling voor met name de siliciumvariant van de fotonica.
Of eigenlijk: voor de cmos-variant. Met silicium fotonica wordt bedoeld dat de fotonische circuits in een normaal cmos-proces in een normale cmos-fab worden vervaardigd. Dit is niet per se de meest logische keuze. Materiaalcombinaties als indiumfosfide en galliumarsenide hebben bijvoorbeeld gunstigere fotonische eigenschappen. Zo kunnen uit silicium geen lasers worden gebouwd. ‘Daarnaast zijn er allerlei bedrijven en instellingen actief met plastics voor fotonica’, weet Korthorst. ‘En hier in Enschede heb je ook Lionix, met een eigen technologie op basis van siliciumoxide en -nitride.’
Maar cmos heeft het grote voordeel dat het zeer reproduceerbaar is en goedkoop in groten getale. En daar lijkt nu voor het eerst een serieuze massatoepassing gevonden te zijn, namelijk communicatie over korte afstanden. Snelheid, energiegebruik en warmteontwikkeling vallen alle zeer gunstig uit ten opzichte van de elektrische versies. Korthorst heeft het over datacom, om het onderscheid met telecom te maken. ‘Telecom gaat niet over hele hoge aantallen, want er liggen maar een paar dikke glasvezels tussen de VS en Europa en een paar grote glasvezelverbindingen door heel Nederland. Maar hoe dichter bij huis je komt, hoe groter de aantallen worden, hoe belangrijker de kostprijs is en hoe minder belangrijk de performance.’
Vijftig man sterk
Toch is het niet de eerste keer dat geïntegreerde fotonica in zwang is. In de dotcombubbel, het gouden tijdperk voor telecommunicatie, stond de technologie volop in de belangstelling – om meegesleurd te worden in de val toen de bel barstte. ‘Je ziet in het vakgebied van de geïntegreerde optica nu mensen uit de jaren negentig, en een generatie mensen die vanaf 2007 weer actief zijn geworden. Daartussenin is gewoon een gat’, constateert Korthorst.
De geschiedenis van Phoenix Software gaat terug tot die tijd; de naam is een verwijzing naar het idee dat de oprichters hadden om uit de as van de crisis te herrijzen. ‘Eind jaren negentig lag overal de straat open om van die grote plastic buizen in de grond te leggen waar een glasvezel in zou komen. Achteraf gezien, was dat een bubbel; die buizen zijn nu meestal nog steeds leeg, maar er kwam toen een heleboel geld beschikbaar voor bedrijven die glasvezelcommunicatie mogelijk maken.’
Op dat moment waren er vanuit de Universiteit Twente drie bedrijfjes voortgekomen die zich hiermee bezighielden: het koppel BBV Software en BBV Design, en Twente Micro Products. ‘BBV is opgericht door een afstudeerder. Volgens mij is het letterlijk zo gegaan dat er begin jaren negentig een bedrijf aanklopte bij de UT met de vraag of ze optische chips konden gaan ontwerpen. Toen is een afstudeerder voor zichzelf begonnen met vijf mensen’, vertelt Korthorst. ‘Om goed te kunnen ontwerpen, ontdekten ze dat ze software nodig hadden, en die was er niet, dus die zijn ze toen zelf gaan maken. Later is dat opgesplitst om het ip te scheiden van het ontwerp, maar ze werkten nauw samen. Tegelijk richtte het Mesa-instituut een stichting op om een brug te slaan tussen zijn kennis en de buitenwereld: Twente Micro Products of TMP. Dat is doorontwikkeld tot een bedrijf dat net als BBV wereldwijd klanten bediende met het ontwerp en fabricage van een heel breed scala aan micro- en nanotechnologie.’
Toen de glasvezelbubbel op stoom kwam, werden de drie bedrijfjes opgeslokt door het Schotse Kymata. Dat wilde de kennis inzetten om fotonische routers voor glasvezelcommunicatie te maken. ‘Normaal moet je het licht dat via de fibers binnenkomt, omzetten in elektrische signalen om er een bewerking op te kunnen doen. Vervolgens kun je dat weer omzetten in licht om een andere fiber in te sturen. Daar was een apparaat ter grootte van een koelkast voor nodig met hoog energieverbruik, weinig flexibiliteit en nog steeds een beperkte bandbreedte’, legt Korthorst uit. ‘Dus de gedachte was om die bewerkingen naar het optische domein te verhuizen via fotonica.’
De Nederlandse bedrijfjes werden daarom samengevoegd tot een ontwerpcentrum van vijftig man sterk, dat werkte aan geïntegreerde fotonica en op mems gebaseerde optische chips. Ondertussen bediende het ook nog externe klanten, waar op dat moment geen gebrek aan was. ‘De ontwerpsoftware mochten we in het begin niet aan de concurrenten verkopen, maar toen de omzetten tegenvielen in de dotcom-ellende werd dat losgelaten.’
Toen de zeepbel uiteindelijk uit elkaar spatte, viel ook het doek voor het ontwerpteam. Alcatel zag aanvankelijk nog brood in de Nederlands-Schotse technologie en nam Kymata over, maar niet veel later moest het diep gaan snijden om het hoofd boven water te kunnen houden. Na een managementbuy-out is toen in 2003 Phoenix Software ontstaan. ‘Het idee was, heel naïef misschien, dat die markt binnen drie jaar wel weer terug zou veren, want tussen 1991 en 2001 konden we ook prima functioneren. Maar het kwam niet terug zoals in de jaren negentig’, stelt Korthorst, die het hele proces overigens vanaf de zijlijn meemaakte – hij had even zijn buik vol van het snelle IT-wereldje van die tijd en heeft een aantal jaar buiten de hightech gewerkt.
Prachtige ontwerpen
Een belangrijke les die het Phoenix-team in de tijd bij Kymata leerde, en die nog steeds de basis vormt onder het bedrijf, is dat ontwerp en fabricage hand in hand gaan. ‘Je kunt niet goed ontwerpen als je niet ook het productieproces snapt en toegang hebt tot meetgegevens over de productie. Dat klinkt heel triviaal, maar je ziet in de micro- en nanotechnologie soms enorm briljante ontwerpers die nog nooit een cleanroom van binnen hebben gezien; die maken prachtige ontwerpen die nooit geproduceerd kunnen worden. Of je hebt ontwerpers die gewoon zeggen: pas het proces maar aan aan mijn ontwerp. Maar een uur in de cleanroom is honderd keer zo duur als een uur achter je bureau. Of mensen verzamelen helemaal geen informatie over wat ze doen, waarmee het heel moeilijk is om het ontwerp nog verder te verbeteren of te itereren.’
Phoenix Software probeert dan ook deze complete cirkel te bedienen met zijn producten: van ontwerp van circuits naar gegevens over de productie, die weer worden teruggevoed in de ontwerpfase. Vandaar dat het bedrijf zowel producten heeft voor circuitontwerpers als voor cleanroomeigenaren. ‘Het wil natuurlijk niet zeggen dat je al die modules bij ons moet afnemen; wij zorgen ervoor dat onze tools ook met andere software overweg kunnen. Waar het om gaat, is dat dit de filosofie is waar wij achter staan’, verduidelijkt Korthorst.
De ontwerperssoftware richt zich op zaken als de fysieke lay-out van de chip, het simuleren van het lichtgedrag in de waveguides, het tekenen van de lithografiemaskers en het controleren van de design rules. Vergelijkbaar met de EDA-wereld, maar dan met andere karakteristieken. ‘Een EDA-tool voor design rules scant bij wijze van spreken het ontwerp lijn voor lijn en kijkt of er niet twee metalen te dicht op elkaar zitten of dat er dingen elkaar overlappen waar dat niet hoort. Maar zo’n scantool snapt bochten in waveguides niet’, legt Korthorst uit.
Toch werkt Phoenix wel samen met Mentor Graphics, de grootmacht in design rule checking. ‘Silicium fotonica gebeurt in siliciumfabs, en daar is gewoon één regel: jouw masker moet door Mentor, ook al zeggen we honderd keer dat het al door onze tool is gegaan. Dan is onze pragmatische insteek dat we een goede relatie opbouwen met Mentor om te zorgen dat hun tool daarmee overweg kan.’
Aan de fabkant richt de software zich op het plannen van de apparatuur en het bewaken van het proces. Gebruikers zitten onder meer in Eindhoven en Delft. ‘Onze software verzamelt gegevens over het proces, bijvoorbeeld of de lithografie gelukt is en wat de lijnbreedte is. Dat wordt aangevuld met offline metingen, dus de gegevens die je krijgt als je je chip gaat karakteriseren. Voor een elektrische chip is een kleine variatie in de spoorbreedte geen probleem, maar bij optica zit je in het terahertzgebied. Een kleine variatie heeft dan direct gevolgen. Dus die variaties wil je heel graag weten.’
De investering die Phoenix onlangs ophaalde, is bedoeld voor de software die de brug slaat tussen de twee werelden: de procesdesignkit of PDK, waarin de details van het fabricageproces in een specifieke fab worden vastgelegd. De ontwerper moet deze software gebruiken om een circuit te tekenen dat ook in de beoogde cleanroom geproduceerd kan worden. ‘Cmos is zo goedkoop geworden omdat de fabs zijn gaan standaardiseren. Op een gegeven moment hebben ze gezegd: ‘Wij hebben een proces, dat hebben we vastgelegd in de ontwerpsoftware en als je die gebruikt, kunnen wij jouw chips leveren.’ En omdat datzelfde proces voor honderden toepassingen werd gebruikt, werd dat steeds goedkoper.’
Maanden werk
Dat is precies de reden dat de geïntegreerde-fotonicawereld nu op stoom begint te komen. Tot voor kort was het gebruikelijk voor fotonicaontwerpers om met een circuit bij een fab aan te kloppen met de vraag om het proces zo aan te passen dat het gemaakt kon worden. Het is kenmerkend voor een technologie in de R&D-fase: zolang de mogelijkheden nog niet uitgekristalliseerd zijn, moet de ontwerper kunnen experimenteren. Maar het betekent wel dat de productie voor elk ontwerp aangepast moet worden, een kostbaar proces.
De afgelopen jaren is de technologie echter volwassen genoeg geworden om de situatie om te draaien, denkt Korthorst. Zijn bedrijf heeft de afgelopen jaren veel ‘missiewerk’ verricht om deze visie ook duidelijk te maken. ‘Sommige foundry’s moeten er nog steeds aan wennen dat het ook voor dit soort vakgebieden kan werken. Maar vier jaar geleden moest ik uitleggen wat een designkit in hemelsnaam is, nu vragen mensen wat erin zit en wat ze ermee kunnen.’
Met het verse kapitaal kan Phoenix de relaties met foundry’s uitbouwen en voor zo veel mogelijk van hen een PDK ontwikkelen. Dat gebeurt in principe in opdracht van die foundry’s, die de tool vervolgens in licentie geven aan de ontwerper. Korthorst: ‘Soms ontwikkelen ze het helemaal zelf, soms sturen ze ons een stukje papier waarop staat: ‘Nou Phoenix, jullie vinden dit zo belangrijk, alsjeblieft.’ Maar er zijn ook foundry’s die vragen of we alsjeblieft een maand in de cleanroom willen komen kijken.’
De terughoudendheid van de fabs is voor een deel wel te verklaren. ‘Als je naar de cmos-wereld kijkt, heb je drie grote spelers: Mentor Graphics, Synopsys en Cadence. TSMC heeft dus drie keer een designkit moeten ontwikkelen’, verklaart Korthorst. In de fotonicawereld speelt dit probleem ook, maar daar is de markt nog eens veel kleiner. De investering van maanden werk valt in dit geval dus al snel negatief uit.
De oplossing om fabs te laten standaardiseren, is dus om de designkits te standaardiseren. ‘Samen met een aantal andere bedrijven in deze markt hebben we vanaf het begin gezegd dat we die situatie voor fotonica gaan proberen te vermijden. Met nadruk op proberen’, zegt Korthorst.
Met zes andere leveranciers uit Europa en Canada heeft Phoenix daarom een organisatie opgericht om hieraan te werken, de PDAFlow Foundation. Een spanningsveld, want als een van die partijen een PDK kan aanbieden voor alleen zijn eigen tooling kan daarmee ook de concurrentie buitenspel worden gezet. ‘Maar we geloven als leveranciers allemaal dat we die markt eerst gewoon lekker moeten laten groeien in plaats van dat we een relatief kleine markt heel hard onder elkaar gaan proberen te verdelen. We hebben het voordeel dat we nog relatief aan het begin staan van die ontwikkeling, dus als het ons lukt om die kikkers in de kruiwagen te houden, dan ontstaat er een standaard die door iedereen wordt gedragen.’
Wat mogelijk kan helpen, is dat ondertussen ook EDA-standaardisatieorgaan SI2 zich met silicium fotonica begint te bemoeien. De organisatie, die Cadence, Mentor Graphics, Intel en IBM tot haar leden rekent, ontwikkelt onder meer een standaard formaat om procesdesignkits te specificeren voor cmos-fabs. ‘SI2 was vier jaar terug niet echt geïnteresseerd in silicium fotonica, maar nu het zo in het nieuws is, hebben ze er een chapter voor gevormd. Wij zijn ook hier een van de initiatiefnemers, dus we onderzoeken nu of we onze ontwikkelingen op elkaar kunnen passen’, vertelt Korthorst.
Minieme wijzigingen
De fotonica van nu ziet er natuurlijk wel heel anders uit dan de fotonica in de dotcombubbel. ‘De complexiteit neemt toe, er komen steeds meer componenten op een chip. Het is niet meer een chip met een filter, maar een chip met meerdere filters, lasers en modulatoren’, illustreert Korthorst. Dat is deels te danken aan het onderzoek dat al die tijd op de achtergrond doorsudderde, maar komt ook gewoon doordat de wet van Moore de structuren van het micro- naar het nanodomein kon duwen.
Dat zorgt gelijk ook voor moeilijkheden. ‘De brekingsindex tussen de waveguide en de omgeving bepaalt hoe scherp je de bocht om kunt. Bij silicium fotonica zoals dat nu wordt gebruikt, is er een enorm hoog brekingscontrast; daarmee kun je heel kleine structuren maken. Maar daardoor ben je heel gevoelig voor kleine verstoringen. Heel hoogwaardige toepassingen voor de telecom worden daarom toch vaak gemaakt in materialen met een lager indexcontrast, bijvoorbeeld twee soorten glas. Dat gebruikten we ook in de Kymata-tijd’, aldus Korthorst.
Aan de andere kant zorgt de fijne patronering voor allerlei mogelijkheden voor sensoren. Een deur verderop bijvoorbeeld – Phoenix Software is in een incubatorgebouw op het Kennispark gevestigd in een van de labruimtes omdat de kantoorruimtes te klein zijn – ontwikkelt start-up Optisense biosensoren gebaseerd op de interferentie tussen licht in twee waveguides, waarbij de ene is bekleed met detectormoleculen. Populair voor sensortoepassingen is ook de resonator: een klein ringetje waarin licht met een specifieke golflengte resoneert. Minieme wijzigingen wanneer een stof bindt, veranderen deze golflengte een beetje, en dat is optisch te detecteren door te kijken welke kleur er achterblijft.
Ook de fiber Bragg grating is een fotonische meettoepassing. Hierbij worden er op reguliere afstanden dwarslijntjes in een glasvezel geëtst. Door licht in de fiber te sturen en de reflecties weer op te vangen, zijn er structurele metingen te doen; wanneer de vezel wordt uitgerekt, verandert de golflengte. ‘Die techniek wordt bijvoorbeeld gebruikt voor die driehonderd meter hoge brug over de Tarn in Zuid-Frankrijk. Maar de meetapparaten zijn een kubieke meter groot. Technobis hier in Nederland ontwikkelt een oplossing op basis van geïntegreerde optica waarmee het heel klein en goedkoop kan. Dan ontstaan ineens mogelijkheden om de vezels in te bouwen in bijvoorbeeld de wieken van een windmolen of in vliegtuigvleugels’, stelt Korthorst.
Mogelijkheden genoeg dus, maar eerst is de datacom aan zet om de markt open te breken. Uw ‘like’ op Facebook wordt straks wellicht met de snelheid van het licht verwerkt.