Onderzoeksproject P7/35 (Onderzoeksactie P7)
De Europese commissie heeft het belang van fotonica bevestigd door het op te nemen als een van vijf “Key Enabling Technologies (KETs)” voor Europa, samen met nanotechnologie, micro- en nano-elektronica, geavanceerde materialen en biotechnologie. Fotonica is een technologie die een brede waaier aan markten mogelijk maakt: communicatie en informatietechnologie, energie, gezondheidszorg, verlichting en beeldschermen, sensoren, metrologie, fabricageprocessen, ... . Het voorliggende project “Photonics@be: naar slimme fotonica in 2020” behelst een Belgisch netwerk dat zal bijdragen tot de ambitieuze doelstellingen van Europa op het vlak van fotonica. Dit netwerk is de voortzetting van het uitermate succesvolle project 'Photonics@be: micro-, nano- en kwantumfotonica”. Het brengt alle toonaangevende fotonicagroepen in Belgie samen, en bestrijkt een breed expertiseveld, gaande van ontwikkeling van nieuwe materialen en geavanceerde fabricagetechnologieën, tot geavanceerd componentontwerp en metingen, alsook complete systemen. Deze technologische expertise wordt ondersteund door een sterke achtergrond op fundamenteel wetenschappelijk gebied in domeinen zoals kwantuminformatietechnologie, kwantum optica, niet-lineaire dynamische systemen, neurale netwerken en machinaal leren. Voor het huidige projectvoorstel is het onze bedoeling om deze brede expertise te focussen in de richting van wat we 'slimme fotonica' noemen.
Met een slim fotonisch systeem bedoelen we een geminiaturiseerd systeem dat een relatief unieke of gesofisticeerde functie vervult met beperkt verbruik van energie en materialen. Slimme fotonica kan b.v. bereikt worden door state-of-the-art materialen op een dusdanige manier te combineren om ongekende functionaliteit mogelijk te maken, of door deze materialen op chip¬niveau te integreren om ze kleiner en zuiniger te maken, of door deze nieuwe componenten bij elkaar te brengen om lichtbronnen of meettoestellen te creëren met ongekende performantie, of door al deze componenten te combineren in nieuwe systemen met originele architecturen. Slimme fotonica zal zorgen voor verhoogde performantie, zowel op het niveau van materialen, componenten en systemen, en zal er op die manier voor zorgen dat het hoofd geboden wordt aan de uitdagingen van het komende decennium.
De partners in dit netwerk hebben state-of-the-art fabricagetechnieken ontwikkeld, gaande van een silicium-op-isolator (SOI) platform (in samenwerking met imec), een foundry platform voor InP componenten, een geavanceerde polymeer prototyping lijn, een schrijfplatform voor fibre-bragg¬gratings, een vezeltrektoren, een syntheselabo voor kwantum dots. De verdere ontwikkeling van deze technologieplatform is als dusdanig geen onderwerp van dit project, omdat onze eerdere ervaring leert dat deze activiteiten minder geschikt zijn voor gezamenlijk onderzoek. Echter, deze technologieplatformen zullen ter beschikking gesteld worden van alle partners in dit project. Op die manier vormen ze de ruggengraat waarop de samenwerking in de werkpakketen gesteund is.
Het onderzoeksproject is gestructureerd in 5 werkpakketen (WP).
In WP1 “slimme materialen voor hybride componenten” zullen we veel nieuwe materialen en
materiaalcombinaties exploreren die een belangrijke rol zullen spelen om onze visie van slimme fotonica waar te maken. We zullen kijken naar kwantum dots en andere nanopartikels om winst en niet-lineariteit te bekomen, maar ook naar 'blue phase' vloeibare kristallen voor hogesnelheidsschakelen, amorf silicium voor hoog-efficiënte niet-lineaire functies, nieuwe kleurstoffen voor zonneconcentrators (goedkope alternatieven voor gewone zonnecellen), grafeen voor ultracompacte fotonische componenten. We zullen speciale aandacht besteden (in nauwe samenwerking met imec) aan de combinatie van nieuwe materialen met siliciumfotonicatechnologie.
WP2 focust op “slimme lichtbronnen”, nl. lichtbronnen met nieuwe functionaliteiten. Voorbeelden hiervan zijn het uitbreiden van het golflengtebereik van kwantum dot lichtbronnen tot het infrarood, het verhogen van de efficiëntie van organische LED's, vele nieuwe klasses van vezellasers (random lasers, supercontinuum bronnen, …) gebaseerd op onze sterke expertise in niet-lineaire dynamica. Ook de combinatie van VCSELS en vloeibare kristallen zal onderzocht worden.
Het voornaamste onderwerp van WP3 is “schaalverkleining in de fotonica”, hetgeen heel belangrijk is om hogere integratiedichtheden mogelijk te maken gekoppeld aan verhoogde performantie en duurzaamheid. Hier zullen we o.m. kijken naar het verkleinen van lichtbronnen en detectoren zodat duizenden ervan op een chip passen, het aanpassen van het siliciumfotonicaplatform voor gebruik in zowel het middeninfrarood als het zichtbaar, het gebruik van kwantum optica waar licht gemanipuleerd wordt op het niveau van een enkel foton, en ook lab¬on-a-chip technologie gebaseerd op microfluidica. Het gebruik van traag light om kleinere componenten te maken zal ook onderzocht worden.
WP4 gaat over “slim licht verwerken”. Hier zal gekeken worden naar modulatoren en schakelaars gebaseerd op kwantum dots en nieuwe symmetriebrekingsmechanismes, maar ook naar schakelaars op basis van ferro-electrische materialen, amorf silicium en vloeibare kristallen. Andere relevante onderwerpen zijn laserdynamica, afstembaarheid en bundelsturing.
Het onderwerp van WP5 tenslotte is “nieuwe paradigmas voor computing”. Hier zullen we het unieke onderzoek uit het vorige IAP project verderzetten, nl. fotonisch reservoir computing. Door gebruik te maken van een netwerk van niet-lineaire fotonische componenten zullen we proberen om patroonherkenningsproblemen op te lossen met veel lagere vermogensvereisten en/of hogere snelheid dan in vergelijking met traditionele architecturen. Het onderzoek in deze WP bevindt zich op het interdisciplinaire raakvlak tussen fotonische systeemarchitectuur, niet-lineaire dynamische systemen en kunstmatige intelligentie.
Deze vijf WP zijn nauw verweven. Bij voorbeeld, de slimme materialen uit WP1 zullen gebruikt worden in WP's 2, 3 en 4. De schaalverkleining uit WP3 is nauw verwant met de vooruitgang in WP2 en WP4. Het netwerk van fotonische componenten nodig voor WP5 kan komen uit WP2 en WP4.
Het project management zal grotendeels ongewijzigd blijven, gezien de positieve evaluatie van het vorige IAP project. Philippe Emplit (ULB) blijft coördinator, bijgestaan door twee 'deputy' coördinatoren Peter Bienstman (Ugent) en Serge Massar (ULB).
In dit project hechten we sterk belang aan zowel het opleiden van jonge wetenschappers als het netwerken/samenwerken tussen de verschillende partners. Binnen alle projectpartners zijn een aantal nieuwe professoren en vastbenoemde wetenschappers aanwezig. Dit netwerk biedt hen een uitgelezen kans om verder te groeien in een flexibele en dynamische omgeving. Het netwerken zal gestimuleerd worden door onze jaarlijkse workshop en tweejaarlijkse nieuwsbrief. Onze uitermate succesvolle doctoral school zal zowel zorgen voor opleiding als voor netwerking.
Van het vorige project nemen we ook het originele concept van “katalysatoren” over: twee of drie jonge professoren die alle groepen zullen bezoeken en op die manier een grondig overzicht zullen krijgen van al het onderzoek. Op basis hiervan kunnen ze kiemen aanreiken waarrond zich nieuwe samenwerkingsverbanden en opportuniteiten kunnen ontwikkelen.
Zelfevaluatie zal verwezenlijkt worden door een tussentijdse evaluatie door internationaal erkende experten. Tenslotte zullen we ook actief zijn buiten ons netwerk via de organisatie van workshops, conferenties en andere evenementen, zowel voor ander wetenschappers actief in ons domein als voor het brede publiek
