1/2017

Hippunen valoa riittää

Kun elektroniikka ei enää nykyisellä teknologialla pysty vastaamaan kehittyvän tiedonsiirron tarpeisiin, apuun tulee valo. TTY:llä on kehitteillä valoteknologiaa, jonka sovellusmahdollisuuksista on aiemmin voitu vain haaveilla.

Mircea Guina

 

Professori Mircea Guina esittelee mikropilarikaviteetteja, joiden kunkin sisällä on yksi valoa tuottava kvanttipiste. Integroidun valonlähteen avulla fotonisista piireistä voidaan tehdä yhä pienempiä.

 

Professori Mircea Guina juo espressoa ja havainnollistaa kaavioiden avulla työtä, jota hänen tutkimusryhmänsä on tehnyt TTY:n Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa viimeisten kahdeksan vuoden aikana. Ryhmän kiinnostuksen kohteena ovat olleet fotoniikan tuomat mahdollisuudet elektroniikan kehittämisessä.

– Nykyinen mikroelektroniikka on tulossa tiensä päähän. Elektroniikkapiirejä saadaan mahtumaan pieneen tilaan valtavasti ja laitteet ovat kutistuneet kutistumistaan, mutta nyt niiden kapasiteetin rajat ovat tulleet vastaan. Niin kauan kuin tiedonsiirtoon käytetään metallia, tietoa katoaa ja syntyy paljon lämpöä, mikä vahingoittaa laitteita ja kuluttaa valtavasti energiaa, Guina kertoo.

Valoa käytetään jo tiedonsiirrossa laajasti. Internet ei toimisi ilman valokuitukaapeleita. Guinaa kiinnostaa kuitenkin se, miten valoa voidaan käyttää itse laitteiden toiminnassa, ei ainoastaan rakennusten tai mannerten linkittämisessä toisiinsa nopeilla yhteyksillä.

– Tavoitteenamme on saada valo toimimaan samalla tavalla kuin sähkö. Osaamme jo valmistaa hybridejä, jossa erillinen valoa tuottava komponentti yhdistetään piiprosessoriin. Erilaisten komponenttien yhdistäminen on kuitenkin vaikeaa.

Valo kulkee Mircea Guinan kuvissa piiprosessorin aaltojohteissa kuin polkuja pitkin mikroskooppisessa labyrintissa. Valoa tuottava materiaali voi olla esimerkiksi indiumfosfidi. Tämä on yleisin tutkimuksen ja tuotekehityksen alla olevista materiaaleista ja sen kimpussa puuhaavat suuret alan yritykset, kuten IBM, Intel ja Toshiba. Mircea Guinan ryhmä päätti kuitenkin valita eri tien ja valita materiaalikseen galliumarsenidin ja galliumantimonidin.

– Halusimme lähteä kokeilemaan uudenlaista tietä. Rohkeus kannatti: materiaaliemme avulla voimme tuottaa muita valon aallonpituuksia, mikä mahdollistaa monia erilaisia sovellusalueita, Guina kertoo.

Yhä pienemmäksi

Hybridi-integraation ongelmana on se, ettei piireistä pystytä tekemään tarpeeksi pieniä. Ongelmasta päästäisiin integroidun valonlähteen avulla. Pii ei tuota valoa, joten ratkaisuna on ikään kuin kasvattaa piin pinnalle valoa tuottava kerros.

– Tämä askel kohti monoliittista integraatiota on ratkaiseva, sillä sen avulla fotonisia piirejä saadaan kutistettua samalla tavoin kuin elektroniikkapiirejä tähän asti. Silloin puhutaan valtavista kehitysaskelista esimerkiksi tiedonsiirron saralla.

Viimeisin Guinan ryhmän tutkimuskohde ovat valoa tuottavasta niin sanotusta III-V-materiaalista valmistetut nanolangat, joita voidaan kasvattaa piin pinnalle haluttuihin paikkoihin. Ne tuottavat pieniä määriä fotoneja eli valohiukkasia hyvin korkealla hyötysuhteella.

– Koska valoa käytettäessä informaatiota ei katoa kuten nykyeletroniikassa, pienikin määrä valoa riittää. Laitteet pienenevät, ovat stabiilimpia ja vievät paljon vähemmän energiaa, Guina listaa.

Ulos lapsenkengistä

Euroopan unioni on valinnut fotoniikan yhdeksi niistä viidestä tulevaisuuden teknologiasta, jolla on suurin taloudellinen potentiaali ja vaikutus yhteiskuntaan. Vielä toistaiseksi Guinan ryhmänkin tutkima teknologia on käytössä vain harvassa paikassa sen harvinaisuuden ja kalliin hinnan vuoksi, mutta tutkimuksen ja tuotekehityksen edetessä markkinat tulevat olemaan suuret.

– Aloitamme pian perustutkimuksen ohella kaupallistamishankkeen, jossa keskitymme selvittämään tutkimuksemme käytännön sovellusmahdollisuuksia esimerkiksi lääketieteen, mobiiliteknologian tai mikroskopian parissa. Kysymys on niin suurista mahdollisuuksista, että niillä on merkitystä Suomelle kansallisella tasolla, Guina arvioi.

– Aluksi oli vaikeaa saada rahoitusta tutkimusaiheelle, joka ei vielä silloin ollut hypen ytimessä, mutta onnistuimme. Nyt monet muutkin ovat kiinnostuneita materiaaleistamme, mutta meillä on monen vuoden etumatka.

Tiedetangoon tarvitaan monta

Mircea Guinan tutkimusryhmän materiaalia

 

Datakommunikaatioon käytettävä optinen integroitu piiri (PIC). Piirissä on Optoelektroniikan tutkimuskeskuksen kehittämiä optisia vahvistimia, jotka tohtori Timo Aallon johtama piifotoniikan tutkimusryhmä on asentanut optisiin piiaaltojohteisiin VTT:ssä. Tulokset saavutettu osana FP7-ohjelman RAPIDO-projektia.

 

Mircea Guinan tutkimusryhmä tekee tiivistä yhteistyötä VTT:n kanssa. VTT:n piiosaaminen yhdistettynä TTY:n valo-osaamiseen on poikinut jo useita tutkimushankkeita. Meneillään on kolmas aiheeseen liittyvä suuri EU-hanke MIREGAS ja suunnitelmissa on neljäskin. Yhteensä rahoitusta on saatu lähes viisi miljoonaa euroa.

– VTT:llä on huippuosaamista aaltojohteiden valmistamisessa, Guina sanoo.

– Optoelektroniikan tulevaisuuden ratkaisee se, miten hyvin erilaiset materiaalit saadaan yhdistettyä. Mitä pidemmälle yhteistyömme etenee, sitä enemmän mahdollisuuksia avautuu, Guina sanoo.

VTT-yhteistyön lisäksi Guina kiittelee pitkään yhdessä työskennellyttä tutkimusryhmäänsä, jonka jäsenet ovat vuosien varrella kehittyneet alan huippuosaajiksi.

– Tieteessä tangoon tarvitaan enemmän kuin kaksi. Kun eri ihmisten osaaminen ja ideat saadaan harmoniaan, syntyy todella kaunis tango.

 

Teksti: Sanna Schildt
Kuvat: Mika Kanerva ja VTT

 
Kerro kaverille
Kärpäsloukun idealla
Kärpäsloukun idealla
1/2017
Kärpäsloukun idealla
Tule sellaisena kuin olet
Tule sellaisena kuin olet
1/2017
Tule sellaisena kuin olet
Vahvuuksilla luodaan vaikuttavuutta
Vahvuuksilla luodaan vaikuttavuutta
1/2017
Vahvuuksilla luodaan vaikuttavuutta
TUT Industry Professor viihtyy rajapinnoilla
TUT Industry Professor viihtyy rajapinnoilla
1/2017
TUT Industry Professor viihtyy rajapinnoilla
Yritysyhteistyö kiinnosti Viron presidenttiä
Yritysyhteistyö kiinnosti Viron presidenttiä
1/2017
Yritysyhteistyö kiinnosti Viron presidenttiä
Sähkötehopiikki iskee illansuussa
Sähkötehopiikki iskee illansuussa
1/2017
Sähkötehopiikki iskee illansuussa
Tulevaisuuden kiertotalouden innovaatiot syntyvät poikkitieteellisesti
Tulevaisuuden kiertotalouden innovaatiot syntyvät poikkitieteellisesti
1/2017
Tulevaisuuden kiertotalouden innovaatiot syntyvät poikkitieteellisesti
Maitotölkin voi pian kierrättää biojätteessä
Maitotölkin voi pian kierrättää biojätteessä
1/2017
Maitotölkin voi pian kierrättää biojätteessä
Välillä seisten, välillä säkkituolissa
Välillä seisten, välillä säkkituolissa
1/2017
Välillä seisten, välillä säkkituolissa
Tiede veti Tampere-talon täyteen
Tiede veti Tampere-talon täyteen
1/2017
Tiede veti Tampere-talon täyteen

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi