Piifotoniikka on valon ja sähkön teknologia, jolla on rajattomasti sovelluskohteita

Blogit
Timo Aalto

VTT on Suomen johtavia piifotoniikan kehittäjiä. Nopeus, energiatehokkuus ja sirujen mikroskooppisen pieni koko ovat eduksi monessa sovelluksessa aina lääketieteestä autonomiseen liikenteeseen.

Kuvittelepa itsesi marraskuisena iltana Käsivarren Lappiin ilman sähkövaloja, kännykkää ja televisiota. Ei kivaa, ainakaan pidemmän päälle. Elämä ilman valoa olisi synkkää, ja ilman sähköä tylsää. Se olisi myös tehotonta, vaikkakin joskus ehkä rentouttavaa.

Valo itsessään on sähkö- ja magneettikenttien täydellisen harmonista tanssia. Fotoniikka, tai kansanomaisemmin valotiede, on tekniikan ala, jossa hyödynnetään fotoneja esimerkiksi tiedonsiirtoon. 

Tietoyhteiskunnassamme sähkön ja valon symbioosi tulee jatkuvasti yhä tärkeämmäksi. Sähkön avulla lasersirut suoltavat ulos niin lyhyitä ja tiheitä valopulsseja, että niiden avulla saadaan työnnettyä hiuksenpaksuiseen optiseen kuituun yhdessä sekunnissa lukuisten teräväpiirtoelokuvien verran tietoa. 

Tulevaisuudessa tietoa käsitellään myös suoraan valolla

Nykyisen ja tulevan tietoyhteiskunnan teknologinen ydin on pienissä mikropiireissä, jotka sykkivät niin urheilukellon kuin tietokoneenkin sisällä. Perinteisiä tehtaita jo paljon suuremmat datakeskukset täyttyvät miljoonista mikropiireistä, joita ilman meillä ei olisi esimerkiksi nykyisen kaltaista internetiä. Valo tuodaan jo nyt datakeskuksiin ja matkapuhelinverkon tukiasemiin pitkissä optisissa kuituverkoissa.

Tähän asti kuitujen päissä on ollut lähinnä yksinkertaisia valon lähettimiä ja vastaanottimia, jotka välittävät viestit kuparikaapelia pitkin tietoa varsinaisesti käsitteleville sähköisille mikropiireille. Tulevaisuudessa valo tulee kuitenkin yhä lähemmäs noita mikropiirejä ja lopulta myös merkittävä osa tiedon käsittelystä tehdään valolla eikä sähköllä. Valo nimittäin parantaa tiedonsiirron nopeutta ja energiatehokkuutta, mikä on tärkeää niin tietoyhteiskunnan kuin koko maapallonkin kannalta. Fotonien suora hyödyntäminen digitaalisessa ja kvanttilaskennassa sekä analogisessa signaalinkäsittelyssä on myös noussut tärkeäksi tutkimusalueeksi.

VTT:n piifotoniikkateknologiasta on moneksi aina lääketieteestä autonomiseen liikenteeseen

Piifotoniikkaa voidaan soveltaa lukuisiin sovelluksiin ja sillä voidaan luoda kestävää kasvua. 

VTT:llä tutkimme ja kehitämme piifotoniikkaa ja siihen perustuvia integroituja optisia piirejä. Piifotoniikan etuja ovat muun muassa komponenttien nopeus ja energiatehokkuus sekä optisten piirien pieni koko. Kuutiometrin kokoisen instrumentin sijaan mittalaite voikin olla sormenpään kokoinen siru. 

Olemme VTT:llä kehittäneet piifotoniikkaa esimerkiksi optisen tiedonsiirron, terveydenhuollon ja älykkään liikenteen sovelluksiin liittyvissä projekteissa. Olemme mm. kehittäneet Rockley Photonicsin kanssa piifotoniikkaa, jota voidaan soveltaa antureissa, joiden avulla ihmiset voivat mitata esimerkiksi verensokeria tai veren alkoholipitoisuutta. Pikkuruiset anturit voi pukea päälle mukavana älyvaatteena tai -kellona, jotka tuottavat käyttäjälleen valtavan kiinnostavaa tietoa.

Lisäksi teknologia on osa VTT:n älykkään liikenteen kehitystä. Piifotoniikan avulla kehitetään lasertutkia, joilla voidaan mitata kolmiulotteisesti esimerkiksi auton ympäristöä – ja vieläpä ilman liikkuvia peilejä tai muita vastaavia osia. Lasertutkilla voidaan siis parantaa liikenneturvallisuutta ja mahdollistaa itseajavat autot. Lisäksi niiden avulla voidaan mitata ympäristöä esimerkiksi roboteista ja lennokeista käsin. 

Sähkön ja valon symbioosissa mikroelektroniikan kehittäjät hyödyntävät kasvamassa määrin fotoniikkaa ja vastaavasti fotoniikan on aika ottaa mallia integroitujen mikropiirien menestystarinasta. Integroimalla fotoniikkaa optisiksi mikropiireiksi voimme kehittää eteenpäin nykyistä teknologiaa sekä luoda täysin uusia mahdollisuuksia tieteessä, teknologiassa ja liiketoiminnassa. Me VTT:llä emme välttämättä itsekään vielä tunnista kaikkia niitä mahdollisuuksia, joihin teknologiaa voidaan käyttää. Se on itsessään aika jännittävää.

Suomessa on ainutlaatuista osaamista fotoniikan ja piifotoniikan lisäksi mikroelektroniikassa ja kvanttiteknologiassa. Menestys kansainvälisillä markkinoilla ja kilpailukykyinen huippututkimus vaativat kuitenkin panostuksia sekä alan koulutukseen että tutkimuslaitteisiin. Suomessa meidän kannattaa keskittyä omiin vahvuuksiimme mikrometriluokan valokanaviin perustuvassa piifotoniikassa. Sillä on omat ainutlaatuiset etunsa, vahva synergia muiden kotimaisten mikrosysteemiteknologioiden kanssa (MEMS, kvanttiteknologia) ja lukuisia sovelluskohteita. Piifotoniikalla on Suomessa valoisa tulevaisuus – ainakin jos uskallamme investoida siihen.

Lue lisää

Puettavat terveys- ja hyvinvointianturit perustuvat piifotoniikkaan ja on tarkoitettu kuluttajamarkkinoille sekä lääketieteellisen teknologian markkinoille

Integroidut optiset piirit (PIC-piirit) minimoivat puettavan teknologian kustannukset, energiankulutuksen ja koon. Rockley Photonics kehittää yhdessä VTT:n kanssa alaa mullistavia antureita ja aloittaa niiden massatuotannon.

Lue koko juttu tästä

Jaa
Timo Aalto

Timo Aalto

Research Team Leader