thumb|Een stralingsdeler met een 532nm-laser
Fotonica of opto-elektronica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met het genereren, transporteren, detecteren en manipuleren van fotonen.
Veel onderzoek in de fotonica is terug te voeren op de interactie tussen licht en elektrische stroom. Sommige componenten zijn in staat elektrische stroom om te zetten in licht (lichtbron), andere elementen kunnen licht omzetten in elektrische stroom (lichtdetector). De principes en reikwijdte van de fotonica komt overeen met de optica.
De ontwikkeling van de fotonica is nauw verbonden met de uitvinding van de laser, leds en de opkomst van optische vezels in de twintigste eeuw. Deze technologieën maakten het mogelijk om grote hoeveelheden data met minimale verliezen over lange afstanden te transporteren, wat de basis vormt van moderne telecommunicatienetwerken en het internet. Daarnaast speelt fotonica een rol in sensortechnologie, medische beeldvorming en spectroscopie.
Overzicht Electronica vs fotonica Elektronica is het vakgebied dat gebruikmaakt van elektronen voor het verwerken, opslaan en transporteren van informatie. Elektronische schakelingen worden toegepast in onder meer computers, communicatiesystemen en meetapparatuur. Sinds de jaren zestig neemt het aantal componenten op een geïntegreerde schakeling sterk toe. Deze ontwikkeling wordt vaak beschreven met de zogenoemde Wet van Moore, die stelt dat de rekenkracht van chips ongeveer elke twee jaar verdubbelt.Imec. Moore’s law. Geraadpleegd op 2 februari 2026 De voortdurende verkleining en versnelling van elektronische schakelingen leidt echter tot een toenemende warmteontwikkeling. Het beheersen van deze warmte vormt een belangrijk aandachtspunt in het ontwerp van moderne microprocessoren en andere halfgeleidercomponenten.Myers, J. (2025) Future Chips Will Be Hotter Than Ever. IEEE Spectrum. Geraadpleegd op 2 februari 2026
Fotonica is een verwant technologiegebied dat niet werkt met elektronen, maar met fotonen. Fotonische schakelingen gebruiken optische signalen voor datatransmissie en -verwerking. Omdat lichtsignalen minder energieverlies en warmteproductie veroorzaken dan elektrische stromen, wordt verwacht dat fotonische chips bij hoge snelheden efficiënter kunnen functioneren.Nova Technology Limited. Optical Integrated Circuits vs. Electronic ICs: Key Differences and Advantages for Next-Gen Applications. Geraadpleegd op 2 februari 2026 Onderzoek heeft aangetoond dat ook op het gebied van optische geïntegreerde schakelingen een ontwikkeling zichtbaar is die vergelijkbaar is met de Wet van Moore.Thylén L. e.a. (2006) The Moore’s Law for photonic integrated circuits in Journal of Zhejiang University SCIENCE A
De algemene verwachting is dat elektronische chips voorlopig de belangrijkste rol blijven spelen in de meeste toepassingen, terwijl fotonische chips vooral zullen worden ingezet voor functies waarbij zeer hoge datasnelheden en lage warmteontwikkeling vereist zijn.Edmund Optics (2018) The Future of High-Speed Technology. Geraadpleegd op 2 februari 2026
Fotonica en telecommunicatie
In 1964 stelde de natuurkundige Charles Kuen Kao voor om breedbandige telecommunicatiesystemen te ontwikkelen op basis van glasvezel. Voor zijn visie en zijn bijdragen aan de totstandkoming van optische communicatiesystemen ontving hij in 2009 de Nobelprijs voor Natuurkunde.Nobelprize.org (2009) Press release. Geraadpleegd op 2 februari 2026
Het voorstel van Kao leidde wereldwijd tot intensief onderzoek naar de praktische toepasbaarheid van glasvezelcommunicatie. Wetenschappers richtten zich op de ontwikkeling van glasvezels met zeer lage demping, op efficiënte lichtbronnen zoals halfgeleiderlasers, op gevoelige fotodetectoren en op de benodigde elektronica voor het aansturen en verwerken van optische signalen. Door de snel groeiende behoefte aan datatransport nam de capaciteit van optische netwerken in korte tijd sterk toe. De eerste systemen werkten met datasnelheden van ongeveer 140 megabit per seconde. Deze snelheden stegen vervolgens naar 560 megabit per seconde, 10 gigabit per seconde en nog aanzienlijk hoger.
In de eenentwintigste eeuw werden verdere doorbraken bereikt. In 2020 rapporteerden onderzoekers van Nokia Bell Labs een transmissiesnelheid van 1,52 terabit per seconde over een afstand van 80 kilometer via een standaardglasvezel.Nokia (13 maart 2020) Nokia Bell Labs’ world records and innovations in fiber optics to enable faster and higher capacity 5G networks of the future Geraadpleegd op 2 februari 2026 Verdere verhoging van de capaciteit werd mogelijk door nieuwe technieken, zoals het gebruik van glasvezels met meerdere kernen en door het toepassen van golflengtemultiplexing (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Met WDM kunnen meerdere datasignalen gelijktijdig over één vezel worden verzonden, elk op een andere golflengte.
In 2025 bereikte Japanse onderzoekers van het National Institute of Information and Communication Technologies een record van 1,02 Petabit/s over 1808 km, met een multikern glasvezel.R. S. Luis e.a. (2025) (1.02 Petabit/s Transmission Over 1,808.1 km in a 19-Core Randomly-Coupled Multicore Fiber in Optical Fiber Communication Conference (OFC) Postdeadline Papers 2025, Postdeadline Paper Digest (Optica Publishing Group, 2025), paper Th4A.1.
De voortdurende toename van datasnelheden heeft grote gevolgen gehad voor de ontwikkeling van fotonische componenten. Halfgeleiderlasers die als lichtbronnen dienen, moeten steeds sneller kunnen worden gemoduleerd. Ook de fotodetectoren moeten in staat zijn om extreem snelle lichtpulsen nauwkeurig om te zetten in elektrische signalen.Wang, Y. e.a. Ultrahigh-speed graphene-based optical coherent receiver. in Nature Communications 12, 5076 (2021). Omdat de transmissiecapaciteit van glasvezel hoger is dan de snelheid waarmee afzonderlijke lasers kunnen worden aangestuurd, werden aanvullende technieken toegepast, zoals optische tijddomeinmultiplexing (Optical Time Domain Multiplexing, OTDM). Hierbij worden meerdere datastromen met lagere snelheid gecombineerd tot één zeer snelle optische datastroom, die bij de ontvanger weer wordt gescheiden.Elsevier. Optical Time Division Multiplexing. ScienceDirect. Geraadpleegd op 2 februari 2026
Voor WDM-systemen werden speciale optische componenten ontwikkeld die verschillende golflengtes kunnen combineren en weer splitsen. In Nederland speelde Meint Smit een belangrijke rol in de ontwikkeling van dergelijke geïntegreerde fotonische schakelingen. Aanvankelijk verrichtte hij pionierswerk in Delft, later zette hij zijn onderzoek voort aan de Technische Universiteit Eindhoven binnen het onderzoeksinstituut COBRA. Daar werden op chips complete fotonische circuits gerealiseerd waarin lasers, modulators en WDM-componenten werden geïntegreerd.Technische Universiteit Eindhoven. From pioneering to international photonics hotspot. Geraadpleegd op 2 februari 2026
Om optische signalen over steeds grotere afstanden te kunnen verzenden, zijn bovendien optische versterkers ontwikkeld. Deze versterken het lichtsignaal zonder dat omzetting naar elektrische signalen nodig is. Veelgebruikte typen zijn versterkers op basis van gedoteerde glasvezels (Doped Fiber Amplifiers, DFA) en halfgeleiderversterkers (Semiconductor Optical Amplifiers, SOA).
Begin jaren zestig werd, met name door Bell Laboratories in de Verenigde Staten, onderzoek gedaan naar het gebruik van laserlicht voor communicatie in de vrije ruimte.Bagga, S., Madhu, C. & Thangjam, S. A Precise Review on Different Aspects of Free Space Optical Communication (FSOC) Systems in Wireless Personal Communications 137, 1641–1661 (2024)) Een doorbraak bleef uit omdat de verbinding sterk werd beïnvloed door luchtturbulentie, regen en mist. Door de opkomst van glasvezelcommunicatie beperkte het onderzoek zich tot satellietcommunicatie.Yukizane Masakazu, e.a. Optical Inter-satellite Communication Technology for High-Speed, Large-Capacity Data Communications in NEC Technical Journal Vol.16 No.1 (October 2021), 154-157]
Toch wordt opnieuw onderzoek gedaan naar dit onderwerp als alternatief voor glasvezel over afstanden tot enkele kilometers. Met nieuwe technieken kunnen storingen door turbulentie beter worden onderdrukt. Het voordeel is dat er geen kostbare grondwerken nodig zijn om een verbinding tot stand te brengen, waardoor een nieuwe verbinding snel kan worden gerealiseerd. Tussen de TU Eindhoven en de High Tech Campus is een testomgeving opgezet om de nieuwe technieken te onderzoeken. De TU/e vestigde in 2025 een wereldrecord met een verbinding van 4,6 km en een datasnelheid van 5,7 terabit/s.Vliet, V. van e.a. (2025) 5.7 Tb/s Transmission Over a 4.6 km Field-Deployed Free-Space Optical Link in Urban Environment. Eindhoven University of Technology, the Netherlands.
Fotonica en dataverwerking
Naast datatransmissie zijn in telecommunicatiesystemen ook schakelcentrales nodig die informatie van een zender naar de juiste ontvanger leiden. Traditioneel gebeurt dit routeren met elektronische componenten. Aan het einde van de twintigste eeuw ontstond het idee om deze functies geheel of gedeeltelijk met fotonische technieken te realiseren. Een belangrijk concept in dit verband is de zogenoemde Optical Cross-Connect, ontstaan uit het werk van o.a. Goff Hill, waarbij optische signalen rechtstreeks, zonder omzetting naar elektrische vorm, kunnen worden geschakeld en gerouteerd.Hill, G. (1997). Optical Networks: from Myth to Reality. in: Prati, G. (eds) Photonic Networks. Springer, London. Dit zou snellere en energiezuinigere netwerken mogelijk maken. In Eindhoven deed Harm Dorren baanbrekend werk op dit gebied. Hier werd gewerkt aan fotonische schakelingen waarmee routerings- en signaalverwerkingsfuncties volledig in het optische domein kunnen worden uitgevoerd. Dergelijke systemen maken het mogelijk om grote hoeveelheden data met zeer hoge snelheden te verwerken. Om aan de toenemende vraag te blijven voldoen, moeten optische schakelaars voortdurend verder worden verbeterd, zowel wat betreft schakelsnelheid als capaciteit.Burtch‑Buus, L. (2023) Optical switching at record speeds opens door for ultrafast, light-based electronics and computers. University of Arizona. 2 maart. Geraadpleegd op 4 februari 2026S. Xia e.a. (2025) 800Gbps/λ WDM Metro-Access Network by novel photonic integrated EDWA and SOA-based WSS Nodes in Optical Fiber Communication Conference (OFC) Postdeadline Papers 2025, Postdeadline Paper Digest (Optica Publishing Group, 2025), paper Th4C.4Xue, X., Calabretta, N. (2022) Nanosecond optical switching and control system for data center networks. Nature Communications 13, 2257
De belangstelling voor fotonische dataverwerking hangt samen met het hoge energieverbruik van moderne datacenters. De energie-efficiënte werking van het menselijk brein heeft wetenschappers geïnspireerd tot de ontwikkeling van zogenoemde neuromorfe fotonica.Bruno Romeira e.a. (2023) Brain-inspired nanophotonic spike computing: challenges and prospects in Neuromorphic Computing and Engineering Volume 3, Number 3 Hierbij worden fotonische circuits ontworpen die de manier nabootsen waarop neurale netwerken in de hersenen informatie verwerken. Door gebruik te maken van licht in plaats van elektrische stromen hopen onderzoekers reken- en communicatiesystemen te ontwikkelen die aanzienlijk energiezuiniger zijn dan huidige elektronische oplossingen.Technische Universiteit Eindhoven (2022) How to build brain-inspired neural networks based on light. 12 april. Geraadpleegd op 2 februari 2026
Fotonica en databeveiliging