Chips met licht, geluid en elektronica
Door geluidsgolven toe te passen in fotonische chips werkt professor David Marpaung op het snijvlak van optica, elektronica en akoestiek. Marpaung en zijn team demonstreerden een elegant proof-of-principle dat ze nu verder ontwikkelen voor implementatie in geïntegreerde optische schakelingen.
In theorie zorgt het akoestische signaal voor een veel hogere precisie en resolutie bij het verwerken van signalen, maar de fabricage van chips voor licht én geluid is niet eenvoudig. ‘Akoestiek is grappig’, zegt David Marpaung. ‘Geluidsgolven zijn langzaam en hebben een medium nodig om zich voort te planten. Juist die traagheid kan zorgen voor een grotere nauwkeurigheid bij informatieoverdracht op een chip, en daarom willen we graag geluidsgolven in chips gebruiken.’
Marpaungs werk draait om geïntegreerde schakelingen (IC’s) of chips die onmisbaar zijn in computers, mobiele telefoons en alle andere technologie in het moderne leven. In de loop der jaren zijn chips veel kleiner en sneller geworden. Een grote verbetering ten opzichte van de huidige technologie, gebaseerd op elektriciteit, is de zogenaamde fotonische chip die informatie transporteert met licht, via optische kanalen of golfgeleiders. Op een fotonische chip wordt informatie sneller verwerkt met een lager energieverbruik. Het lijkt daarom contra-intuïtief om als volgende stap in het verbeteren van de IC-technologie geluidsgolven toe te voegen, die relatief langzaam zijn. Toch is dit precies wat professor Marpaung wil doen.
‘Geluidsgolven kunnen niet reageren op alles waar een optisch signaal op reageert, waardoor het mogelijk is om ruis weg te filteren en de nauwkeurigheid van de informatieoverdracht op een chip te vergroten,’ zegt Marpaung. ‘Interactie tussen licht en geluid is hiervoor essentieel, maar lichtgolven en geluidsgolven hebben verschillende materialen en omstandigheden nodig om zich goed te kunnen voortbewegen. We hebben dit probleem opgelost door het standaardontwerp van fotonische chips te veranderen.’
In fotonische chips bestaan de golfgeleiders meestal uit een massieve kern van siliciumnitride, omgeven door een glazen mantel die het licht binnenin die kern houdt. Omdat geluidsgolven het liefst door glas bewegen, zullen ze in zo’n chip geen interactie hebben met het licht. Marpaung en zijn team hebben dit opgelost door een golfgeleider te maken met niet één maar twee kernen van siliciumnitride in de glasmantel. ‘Licht dat door deze kernen reist, zal een beetje in het glas ertussen lekken,’ legt hij uit. ‘Als we in dit gebied een geluidsgolf creëren, wordt deze goed geleid door het glas én gaat het geluid interactie aan met het lichtsignaal.’
Met dit nieuwe golfgeleiderontwerp zetten Marpaung en zijn groep de volgende stappen om geluidsgolven commercieel toe te passen in geïntegreerde schakelingen. ‘Momenteel onderzoeken we verschillende ontwerpen op basis van dit principe,’ zegt Marpaung, die in 2022 een ERC consolidator Grant ontving voor het project. ‘We zoeken de grenzen op van wat mogelijk is. We onderzoeken wat de beste materialen zijn voor dit soort geïntegreerde schakelingen voor licht en geluid, maar we werken ook aan spin-offs en patenten, omdat we deze technologie daadwerkelijk willen toepassen in de chips van morgen.’
De groep heeft nauwe banden met de industrie via IC-bedrijf en UT spin-off LioniX. Marpaung: ‘We willen de fundamentele fysica achter de interactie van licht en geluid ontrafelen, maar houden altijd de technologische toepassingen in het achterhoofd.’
Onderwijs
David Marpaung heeft warme herinneringen aan verschillende mensen die gedurende zijn hele carrière een mentor of gids voor hem waren en het is zijn missie om nu zo’n mentor te zijn voor de jongere onderzoekers in zijn groep. ‘Als het gaat om het begeleiden van mensen, is het menselijke element net zo belangrijk als het wetenschappelijke’, zegt hij. Naast de dagelijkse begeleiding van studenten en promovendi, ontwikkelt en geeft Marpaung ook onderwijs, bijvoorbeeld over detectie van kleine signalen en over geïntegreerde fotonische systemen, onderwerpen die deel uitmaken van het masterprogramma Technische Natuurkunde.
‘Ik denk dat het ons doel moet zijn om afgestudeerden af te leveren die over de vaardigheden beschikken die de sector nodig heeft’, zegt Marpaung. ‘We werken wetenschappelijk op een hoog niveau, maar ik streef ook naar persoonlijke uitmuntendheid voor elk lid van onze onderzoeksgroep. Elke student die vertrekt, moet een ambassadeur zijn voor hoe serieus we ons werk doen in de groep en op deze universiteit.’
Over David Marpaung
Als natuurkundestudent in Indonesië won David Marpaung een beurs waarmee hij zijn masterdiploma kon behalen in Nederland, waar hij technische natuurkunde studeerde aan de Universiteit Twente. Na een jaar in zijn thuisland kwam hij terug in Twente voor een promotieonderzoek in de Elektrotechniek. ‘Hierdoor heb ik een groot netwerk in Twente gekregen’, zegt Marpaung, die daarna als (senior) research fellow werkte aan de Universiteit van Sydney voordat hij in 2018 opnieuw terugkeerde naar Twente. Hij leidt nu de groep Nonlinear Nanophotonics bij de Faculteit Technische Natuurwetenschappen.
Marpaung ontving diverse onderscheidingen en prijzen voor zijn werk, waaronder een Vidibeurs van NWO in 2017 en ERC consolidator Grant in 2022. Daarnaast is hij parttime adjunct-professor aan het Bandung Institute for Technology, waar hij vijfentwintig jaar geleden zijn opleiding deed.
Persfoto’s
Deze persfoto’s mogen gebruikt worden onder vermelding van fotograaf Fokke Eenhoorn.