‘Fotonica kan mee een oplossing bieden voor de grote uitdagingen van deze tijd’

Voor de Universiteit Van Vlaanderen staat Nathalie Vermeulen stil bij de kansen en de mogelijkheden van lichttechnologie.

Fotonica is de wetenschap en technologie van het licht. Dit klinkt misschien futuristisch en toch is het al volop aanwezig in ons dagdagelijkse leven. Zo zijn bijvoorbeeld heel wat woningen de laatste jaren voorzien van LED verlichting. Die “Light Emitting Diode“-verlichting is veel energiezuiniger dan de traditionele gloeilamp- en halogeenverlichting en is een voorbeeld van fotonica-technologie waar we elke dag gebruik van maken. Een ander voorbeeld zijn de miniscule cameratjes die in onze smart phones zitten en die zeer compacte lensjes bevatten om licht uit de omgeving op te vangen en af te beelden op een sensor zodat je er scherpe foto’s en filmpjes mee kan maken. Fotonica zit ook in de hoge resolutie vlakke beeldschermen die alom tegenwoordig zijn. Het is zelfs op onze daken terug te vinden onder de vorm van zonnepanelen die voornamelijk opgebouwd zijn uit silicium zonnecellen. Wanneer er zonlicht op invalt, zet de zonnecel de zonne-energie om in elektrische stroom. Zelfs onze primaire noden zoals voedselvoorziening hebben baat bij fotonica-technologie. Wist je bijvoorbeeld dat men groene kikkers in de spinazie en gele wormpjes in de maïs kan detecteren en eruit kan verwijderen door het voedsel, vooraleer het verpakt wordt, te scannen met laserlicht?

Het is verwonderlijk waar lichttechnologie allemaal al aanwezig is. Fotonica is een zeer breed onderzoeks- en innovatiedomein dat draait rond het manipuleren, opvangen, transporteren en genereren van licht om zo data te verzenden, beelden te maken, energie op te wekken, en heel wat andere functionaliteiten in het leven te roepen.

Toch is de term fotonica lang nog niet zo gekend als elektronica. We weten allemaal dat er in onze computer een elektronische chip zit, een chip die werkt met elektronen of ladingsdragers. Als je een ander apparaat koppelt aan je computer zoals een externe harde schijf, dan worden er tussen de computer en de harde schijf elektronen uitgewisseld via een koperen kabeltje. Bij de elektronica staan dus elektronen centraal. In de fotonica, echter, spelen lichtdeeltjes of fotonen de belangrijkste rol, vandaar de naam fotonica.

De grondbeginselen van de fotonica zijn gelegd in de 20ste eeuw, namelijk rond 1960 toen de eerste laser gedemonstreerd werd door de Amerikaanse ingenieur Theodore Maiman. Het theoretische werkingsprincipe van de laser werd in feite al vele decennia eerder bedacht door de Duitse fysicus Albert Einstein, maar de echte doorbraak kwam er pas met de eigenlijke demonstratie van de laser in 1960. Dit betekende het startschot van verschillende cruciale technologische ontwikkelingen, gaande van CDs en DVDs tot medische beeldvormingstechnieken en zelfs het internet. Het hoeft geen betoog dat het internetverkeer de laatste jaren drastisch toegenomen is. De verstuurde data leggen ook steeds grotere afstanden af, want we kunnen overal ter wereld met mekaar communiceren, bestanden downloaden en videos streamen.

Hoe wordt dit dense internetverkeer over die grote afstanden geregeld? Om al deze data te versturen gebruikt men lichtsignalen, meer bepaald laserlicht. Voor het transport van deze lichtsignalen kan men geen beroep doen op koperen kabels maar maakt men gebruik van een glasvezelkabel. Een glasvezel is een dun draadje zuiver glas dat, wanneer er licht wordt in gestuurd, het licht opsluit binnenin het glas en het niet laat ontsnappen. Op die manier laten glasvezelkabels inderdaad toe om lichtsignalen te transporteren van de ene naar de andere plaats. Door de extreem hoge zuiverheid van het gebruikte glas ondervinden de lichtsignalen haast geen verliezen in de glasvezel waardoor lange-afstandstransport vandaag een realiteit is.

Momenteel zijn er al honderden duizenden kilometers glasvezelkabel overal ter wereld uitgerold tot zelfs op de bodem van de oceaan om data onder de vorm van laserlicht door te sturen met datasnelheden van honderden Gigabits tot zelfs Terabits per seconde. Wanneer die glasvezelkabel echter alleen tot in de stadscentra wordt doorgetrokken, dan moeten vanaf dat punt de lichtsignalen omgezet worden in elektronische signalen die op hun beurt verdeeld worden over de vele elektrische koperen kabels waarmee de individuele woningen aangesloten zijn. Op die manier blijft er voor elke gebruiker uiteindelijk maar een lage datasnelheid over. Gelukkig kan men dit verhelpen met het ‘fiber to the home‘ actieplan. Concreet zouden er binnen enkele jaren minstens 2 miljoen woningen in België voorzien moeten zijn van een snelle glasvezelconnectie in plaats van een elektrische internetkabel. En dan zal fotonica-technologie ervoor gezorgd hebben dat we van sneller internet kunnen genieten ook bij ons thuis.

Tot slot kan fotonica mee een oplossing bieden voor de grote uitdagingen waar we nu voor staan, met name de corona-epidemie en de klimaatsverandering. Kijk maar naar de thermografische camera’s die op luchthavens geïnstalleerd worden om geïnfecteerde passagiers met een verhoogde lichaamstemperatuur te detecteren. En denk maar aan de enorme energiebesparing die zowel LED lampen als zonnepanelen al gerealiseerd hebben op wereldschaal en zo mee de CO2 uitstoot helpen verminderen. Kortom, fotonica heeft onze levenskwaliteit al sterk verbeterd op verschillende niveaus en zal dat dat ook blijven doen naar de toekomst toe. Met fotonica is er dus wel degelijk licht aan het einde van de tunnel.

Nathalie Vermeulen is professor lasertechnologie in de faculteit Ingenieurswetenschappen aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB). Ze maakt deel uit van de Brussels Photonics (B-PHOT) groep die intussen 35 jaar actief is in fotonica-onderzoek en -innovatie.