Fotonica: straalt er binnenkort ook licht in jouw computer?

Foto's Ferre Vanden Kerchove

Twee lichtstralen doorkruisen je vingertop, terwijl aan de andere kant een sensor het lichtniveau meet. Een simpele berekening volgt en daar is het: het zuurstofgehalte van je bloed, ontcijferd door dat kleine hoedje - ook wel bekend als een saturatiemeter. De toekomst van fotonica ziet er rooskleurig uit, maar er zijn nog obstakels.

Het hoedje verdient absoluut het label revolutionair. Voorheen was het een enorme uitdaging om je bloedsaturatie te meten. Verpleegkundigen moesten bloed afnemen van een slagader, een ervaring die verre van aangenaam was. Vervolgens analyseerden laboranten het bloed in een lab, en pas uren later kreeg de arts informatie over het zuurstofgehalte. Voor bewusteloze patiënten met longproblemen kwamen deze resultaten te laat.

Tegenwoordig gebeurt die bloedanalyse binnen de vijf minuten met een gespecialiseerd toestel. Maar de afname blijft pijnlijk, daarom wordt de procedure bij kinderen zelfs vermeden. Geen nood, er bestaat een betere oplossing dankzij (infra)rood. Bloed met een hogere zuurstofsaturatie zal infrarood¹ licht goed absorberen, terwijl bloed met een lage saturatie rood licht beter absorbeert. De saturatiemeter vergelijkt dan hoeveel rood en infrarood er door je vinger komt en toont zo onmiddellijk en doorlopend de bloedsaturatie van de patiënt. Een van de eerste triomfen van fotonica in de gezondheidszorg - een proces dat voorheen tijdrovend, pijnlijk en invasief was, nu gecomprimeerd in een apparaat ter grootte van een duim, verkrijgbaar voor minder dan 25 euro.

Precisiewerk op optische tafels

Fotonica is overal waar toestellen licht manipuleren. Ze omvat veel toepassingen: van oogchirurgie met lasers tot het monitoren van broeikasgasemissies via satellieten en LiDAR-technologie die zelfrijdende auto's 'zicht' geeft. Maar dit is slechts het topje van de ijsberg. Fotonica heeft het potentieel om voedselkwaliteit te testen zonder verpakkingen te openen, artificiële intelligentie sneller en efficiënter te maken, en zelfs handige doe-het-zelfkits voor soa-tests te creëren. De mogelijkheden lijken eindeloos.

Het oppervlak van een fotonische chip. Breedte: 3,9 millimeter

Echter, voordien zijn er nog hindernissen te overwinnen. De kost en complexiteit staan bovenaan. Prototypes zijn duur, tijdrovend en vatbaar voor fouten, vooral omdat onderzoekers deze op optische tafels assembleren - een arena waar lasers, glasvezelkabels, filters en versterkers samenkomen. Zelfs kleine foutjes, zoals een verkeerd uitgelijnde verbinding, kunnen resultaten verstoren. Was er maar een efficiëntere methode...

Kleiner, beter en goedkoper

Herhaaldelijk precisiewerk? Dat klinkt als de perfecte job voor machines! In plaats van alles zelf te verbinden, kunnen we alles automatiseren. Fotolithografie gebruikt licht om gangen uit te tekenen op een speciaal oppervlak. Hierin stroomt het licht dan naar zijn bestemming. Voeg nog lasers en detectoren toe, en we hebben een fotonische chip.

Menselijke fouten worden geëlimineerd, maar het blijft een kostbaar en langdurig proces. Eenmaal ontworpen, moet de chip nog steeds vervaardigd en getest worden, een tijdrovende taak die maanden kan duren en miljoenen euro's kan kosten voor één werkend prototype. Deze situatie klinkt ook niet ideaal. Maar gelukkig hebben we veel geleerd van elektronica, die hetzelfde probleem heeft meegemaakt, en opgelost. Hoe? Door veel chips met één functie te vervangen door één chip die veel functies kan hebben. Deze chip is programmeerbaar, en ook in de fotonica komt een vergelijkbare ontwikkeling eraan.

Een fotonische chip (de groene plaat) aangesloten met elektronica om de chip te besturen (de gekleurde kabels links op de plaat), en glasvezelkabels waardoor licht stroomt op de chip (de kabels die loodrecht op de chip staan)

In plaats van zelf een chip te ontwerpen, kunnen onderzoekers nu beschrijven wat de chip moet doen in een speciale programmeertaal. Dan schikt de chip zichzelf zo dat hij deze functie uitvoert. Hier komt mijn onderzoek aan de beurt. Ik schrijf algoritmes voor routeplanning. Dat is een stappenplan die de chip vertelt welke weg het licht moet afleggen. Wanneer ook de algoritmes in orde zijn, dan zal het ontwerp van een fotonische toepassing nog maar enkele uren duren.

Licht aan het einde van de tunnel

Spijtig genoeg zijn programmeerbare fotonische chips (nog) niet voor morgen. Het is bijvoorbeeld nog niet duidelijk welk materiaal het meest geschikt is om de chips uit te maken. Daarnaast staan de algoritmes die de chip vertellen hoe hij zich moet schikken nog in hun kinderschoenen en ook de productie van een chip is nog niet nauwkeurig genoeg. Een afwijking van een duizendste van een millimeter kan in het slechtste geval een zelfrijdende auto in de gracht laten rijden. Er is nog ruimte voor verbetering. En zelfs als we al deze problemen oplossen, gaan we binnenkort dan alleen maar fotonische chips gebruiken? Neen, dat niet. Elektronische chips zijn bijvoorbeeld veel beter in exacte berekeningen. '3+5' blijft voorbehouden voor elektronische chips, net zoals de luidsprekers in je gsm doen werken. Meer nog, de aansturing van fotonische chips gebeurt hoofdzakelijk elektronisch. Een samenwerking van elektronische en fotonische chips is de toekomst.

Ondanks alle moeilijkheden en gebreken, motiveert het potentieel van fotonica elke dag duizenden onderzoekers om deze problemen een voor een op te lossen. Nu al verbetert fotonica dagelijks het leven van miljoenen mensen. Programmeerbare fotonische chips beloven de kosten te verlagen en de toegankelijkheid van fotonische innovatie te vergroten. Hiervoor werk ik dagelijks rond de ontwikkeling van programmeerbare fotonische chips. De toekomst is helder voor fotonica en de impact zal de komende jaren alleen maar toenemen. Voor je het weet, heeft elke sector zijn eigen hoedje.

Noten

1. infrarood: Infrarood licht is onzichtbaar voor ons, terwijl wij natuurlijk rood wel nog kunnen zien.