Valo on loputon lähde

Fysiikan osa-alueisiin lukeutuvaa fotoniikkaa pidetään tulevaisuuden alana. Se liittyy seuraavan sukupolven laitteisiin ja teknologiohin, jotka toimivat valon nopeudella, säästävät ympäristöä ja ovat tehokkaita ja taloudellisia – siis suureksi hyödyksi yhteiskunnalle.

Euroopan komissio on määrittänyt fotoniikan yhdeksi kehitystä vauhdittavaksi teknologiaksi (KET) muun muassa nanoelektroniikan, nanoteknologian ja bioteknologian rinnalle. Niitä pidetään innovaatioiden keskeisinä rakennusosina kaikilla teknologian sektoreilla. Mutta vaikka fotoniikan arvo on nousussa, sen merkitystä voi olla vaikea konkretisoida, sanoo Photonics Finlandin toiminnanjohtaja Juha Purmonen.

”Fotoniikka ei itsessään ole oma sovellusalueensa, mutta kun sitä hyödynnetään muissa ratkaisuissa, siitä tulee ratkaisevan tärkeä elementti.”

Valon uudet käyttökohteet

Fotoniikan keskeisiä sovellusalueita ovat tieto- ja viestintäteknologia, teollisuus, bio- ja terveystieteet, valaisimet ja näyttölaitteet, turvallisuus, energia, metrologia, kuvantaminen ja sensorit.

Apulaisprofessori Caterina Soldano Aalto-yliopistosta sanoo, että vaikka fotoniikka usein nähdään uutena ilmiönä, joka on mahdollistanut monet tämän hetken hienoimmista sovelluksista ja laitteista, valoa tuottava prosessi on suhteellisen vanha keksintö.

”Varhaisia esimerkkejä ovat vaikkapa hehkulamppu ja silmälasit. Nykyinen tieteellinen tieto ja ymmärrys sekä teknologinen kehitys ovat kuitenkin johtaneet aivan uudenlaisiin tapoihin luoda, manipuloida ja havaita valoa. Laserteknologia on tästä täydellinen esimerkki.”

Fotoniikan historia voisi olla myös laserin historiaa. Laserin keksiminen lähes kuusikymmentä vuotta sitten on vaikuttanut merkittävästi ihmiskuntaan monilla eri aloilla. Laserlähtöisille teknologioille on myönnetty kahden viime vuosikymmenen aikana useita fysiikan Nobel-palkintoja, mutta ne pohjautuvat edeltävien vuosikymmenten tutkimukseen ja innovaatioihin.

Fotoniikka muuttaa maailmaa

Fotoniikan tutkimusryhmää Aalto-yliopistossa johtaa professori Zhipei Sun. Hän jakaa fotoniikan kehityksen neljään pääryhmään: valon eli fotonien tuottamiseen, muokkaamiseen, johtamiseen ja havaitsemiseen.

”Alaa on perinteisesti kiinnostanut valon tuottaminen esimerkiksi hehku- ja led-lamppujen avulla, mutta nyt painopiste on siirtymässä siihen, että valoa voitaisiin tuottaa ja sen kulkua ohjailla aiempaa tehokkaammin.”

Samalla kun perinteisen teknologian tarjoamien mahdollisuuksien rajat ovat tulossa vastaan, fotoniikka tarjoaa uusia kiinnostavia näkymiä. Kenties ilmeisimpiä sovellusalueita ovat peli- ja viihdeteollisuus. Fotoniikan laaja-alaisuutta ja potentiaalia ei kannata kuitenkaan vähätellä.

”Esimerkiksi internet ei toimisi ilman fotoniikkaa, sillä lähes kaikki data kulkee valokuidussa. Datakeskukset tarvitsevat tulevaisuudessa entistä enemmän kapasiteettia. Valoon perustuvat teknologiat täydentävät tai korvaavat nyt käytössä olevat elektroniikkaan tai sähkötekniikkaan perustuvat ratkaisut. Yritysnäkökulmasta fotoniikka soveltuu moniin tämänhetkisiin ratkaisuihin ja avaa lisäksi uusia mahdollisuuksia”, Juha Purmonen sanoo.

Mahdollisuuksien runsaudensarvi

Optiset tiedonsiirtoratkaisut rakentavat uutta yhteiskuntaa, jossa data siirtyy lähes reaaliaikaisesti ympäri maailman miljoonissa valokuituverkoissa. Nämä valoon perustuvat teknologiat puolestaan ruokkivat uusia tekoälyalgoritmeja, joiden ansiosta meillä on tulevaisuudessa käytössämme itseohjautuvat autot, älykkäät kaupungit, esineiden internetiin pohjautuva teollisuus 4.0 sekä kokonaisvaltainen ymmärrys ilmastosta.

Terveysalalla fotoniikan avulla voidaan kehittää puettavan teknologian tuotteita, kuten rannekkeita tai vaatteita, jotka edistyneisiin biosensoreihin yhdistettynä tekevät nopeita diagnooseja, havaitsevat sairaudet varhaisessa vaiheessa ja seuraavat ja arvioivat hoitovasteita. Koittaa siis täsmälääketieteen aika. Näköpiirissä on jo mahdollisuus etsiä ja tunnistaa vakavien – ja toistaiseksi parantumattomien – sairauksien oireita.

Valaistuksessa, elektroniikassa ja näyttölaitteissa fotoniikkaan pohjautuvat ratkaisut korvaavat perinteiset navigaatio- ja tietojärjestelmät, ja kuluttaja voi valita pidemmälle räätälöityjä vaihtoehtoja. Apuun tulevat esimerkiksi kasvojentunnistus tai puettava terveys- ja hyvinvointitekniikka. Niitä voidaan hyödyntää monilla sovellusalueilla esimerkiksi liike-elämässä, viihdeteollisuudessa ja teollisessa suunnittelussa. Ja kun astumme robottiliikenteen aikaan, fotoniikan avulla voidaan ratkaista itseohjautuviin autoihin liittyviä haasteita, parantaa liikenneturvallisuutta ja vähentää ruuhkia.

Fotoniikan vaikutus elintarvikkeisiin ja maatalouteen ei ole yhtä ilmeistä, mutta niin ikään merkittävää.

”Elintarvike- ja maataloussektorilla tarvitaan runsaasti fotoniikkaa hyödyntäviä innovaatioita. Tarve alkaa pellolta ja ulottuu kaikkiin tuotannon vaiheisiin, jotta ruoantuotannosta saadaan taloudellista sekä ekologisesti ja sosiaalisesti kestävää”, sanoo Purmonen.

Valoon perustuvat teknologiat ovat käyttökelpoisia esimerkiksi seuranta- ja mittausvälineissä, maatiloilla, elintarvikkeiden käsittely- ja jalostuslaitoksissa ja kuluttajien käytössä. Maaperän laatua ja satoa tarkkailevat sensorit antavat arvokasta tietoa siitä, miten viljelyn tuloksia voi parantaa.

Fotoniikan avulla tiedonsiirrosta tulee entistä ketterämpää.

”Meillä on tarve sekä lisätä tiedonsiirron nopeutta ja kapasiteettia että vastata tästä aiheutuvaan energiantarpeen kasvuun. Intel julkisti hiljattain piifotoniikkaratkaisun, jonka tiedonsiirtonopeus on huima 400 gigabittiä sekunnissa. Se on perinteistä kuparikaapelia kymmenen kertaa nopeampi, kuluttaa noin kolme kertaa vähemmän sähköä ja mahdollistaa pidemmät etäisyydet”, professori Sun sanoo.

Myös laserkirurgiassa kehitysaskeleet voivat olla mullistavia. Tällä hetkellä siinä käytetään yhden mikronin aallonpituutta, joka sijoittuu lähi-infrapuna-alueelle.

”Pääsyy yhden mikronin käyttöön on se, että sillä saadaan helposti suuri teho. Kahden mikronin aallonpituus olisi kuitenkin parempi, mikä johtuu siitä, että 90 prosenttia kehostamme on vettä. Kahden mikronin aallonpituudella nestekerros ei ole lasersäteilylle läpinäkyvä, joten työskentely on tarkempaa ja kontrolloidumpaa ja terveelle kudokselle aiheutuu vähemmän vaurioita”, sanoo Sun.

Perustutkimuksesta sovelluksiin

Useimmat Aalto-yliopiston fotoniikan tutkimusryhmistä sijaitsevat Micronovassa, joka on Aalto-yliopiston ja VTT:n yhteinen mikro- ja nanotekniikan tutkimuskeskus.

Professori Zhipei Sun tutkii ryhmineen erilaisten nanomateriaalien ominaisuuksia ja miten niitä voi hyödyntää fotoniikan sovelluksissa.

”Pidän tärkeänä, että kaikki fotoniikkalaitteet yhdistetään tehokkaisiin mikrosiruihin. Esimerkiksi pitkälle integroidut, erittäin herkät ja nopeat fotoniikkasensorit sekä kuvantamis- ja tietojenkäsittelylaitteet tukevat käynnissä olevaa teollisen internetin vallankumousta. Se muuttaa yhteiskuntaa esimerkiksi mahdollistamalla konenäön, tekoälyn ja niiden pohjalta tapahtuvan päätöksenteon ja viestinnän”, Sun sanoo.

Siinä missä Sun kollegoineen tekee fotoniikan perustutkimusta, professori Caterina Soldanon lähestymistapa on soveltavampi. Hänen tavoitteenaan on kehittää uusia laitteita ja sovelluksia. Soldano tutkii optoelektroniikkaa, jossa valon tuottamiseen ja havaitsemiseen käytetään orgaanisia molekyylejä.

”Haluan olla luomassa seuraavan sukupolven optoelektroniikan ratkaisuja”, Soldano sanoo.

Orgaanisten materiaalien avulla voidaan kehittää aivan uudenlaisia joustavia ja muokattavia laitteita. Sellaisia ovat esimerkiksi vaatteisiin integroidut sensorit ja matkapuhelimien taittuvat näytöt.

”Olen työskennellyt sekä perustutkimuksen parissa että tutkimus- ja kehitysympäristössä. Minulla on hyvä käsitys siitä, miten laboratorioissa tehdyistä innovaatioista siirrytään kohti markkinoita lähellä olevia sovelluksia. Tavoitteeni on yhdistää nämä kaksi puolta.”

Valtava kasvupotentiaali

• Fotoniikan odotetaan luovan miljoona uutta työpaikkaa Eurooppaan vuoteen 2030 mennessä.

• Pelkästään Suomessa on tällä hetkellä yli 200 fotoniikka-alan yritystä.

• Fotoniikkaa hyödyntävillä teknologioilla on huomattava vaikutus maailmantalouteen. Globaalin markkinan koko on tällä hetkellä 300 miljardia euroa, ja vuonna 2020 sen ennustetaan yltävän yli 600 miljardiin euroon.

• Fotoniikka-alan kasvu oli yli kaksinkertainen koko maailman bruttokansantuotteeseen verrattuna vuosien 2005 ja 2011 välillä.

• Fotoniikan vaikutus Euroopan talouteen on noin 10 prosenttia.

• Euroopan fotoniikkamarkkinan arvo on 58,5 miljardia euroa (21 prosenttia globaalista markkinasta) ja ala työllistää Euroopassa 290 000 ihmistä.

Lähde: Photonics21 Multiannual Strategic Roadmap 2021–2027

Teksti: Mark Fletcher.

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 25, lokakuussa 2019.