Valo on loputon lähde

Valo vaikuttaa kaikkialla, ei vain luonnossa. Fotoniikan eli valotieteen sovelluksia käytetään laajasti tutkimuksessa, teollisuudessa ja yritysmaailmassa. Ala voi luoda miljoona uutta työpakkaa Eurooppaan vuoteen 2030 mennessä.
Kuvituskuva esittelee fotoniikan eri sovelluskohteita kuten tiedonsiirtoa ja tietotekniikan komponenetteja. Kuvassa on myös laboratoriossa työskentelevä henkilö. Kuvittaja: Jolanda Jokinen.
Kuvitus: Jolanda Jokinen

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.

”Esimerkiksi internet ei toimisi ilman fotoniikkaa, sillä lähes kaikki data kulkee valokuidussa.”

Toiminnanjohtaja Juha Purmonen, Photonics Finland

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.”

Kuvituskuva symbloloi fotoniikan sovelluskohteita, joita on lähes loputtomasti. Kuvassa on muun muassa ääretön-merkki, josta on tehty silmälasit. Kuvittaja: Jolanda Jokinen.

Fotoniikka Suomessa

Suomessa kehitetään fotoniikkaan pohjautuvia ratkaisuja niin globaaleihin kuin paikallisiinkin haasteisiin.

”Jos ajattelemme fotoniikkaa teknologian näkökulmasta, virtuaalitodellisuutta (VR), lisättyä todellisuutta (AR) ja tehostettua todellisuutta (MR) hyödyntävät ratkaisut ovat hyviä esimerkkejä siitä, mitä Suomessa tällä hetkellä kehitetään. Niihin ovat keskittyneet esimerkiksi Varjo Technologies ja Dispelix, joiden kummankin käsistä tulee maailmanluokan innovaatioita”, sanoo Photonics Finlandin toiminnanjohtaja Juha Purmonen.

Näiden lisäksi Suomessa on yli 200 yritystä, jotka kehittävät optisia antureita ja kuvantamista, mikro- ja nanofotoniikkaa sekä laser- ja valokuitua hyödyntäviä ratkaisuja. Niitä käytetään laserkirurgiassa, tiedonsiirrossa, näyttölaitteissa ja sensoreissa.

Suurten metsien Suomessa on alettu hyödyntää fotoniikkaa myös droneen kiinnitettävässä Lidar-valotutkassa (Light Detection and Ranging), jolla voidaan kartoittaa metsävaroja ja havaita metsäpaloja.

Suomen Akatemia on valinnut lippulaivaohjelmaansa tulevaisuuden kannalta tärkeimmät teemat ja ryhmitellyt ne kuudeksi lippulaivaksi. Yksi näistä on PREIN – Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaiva.

PREIN on valoon perustuvien teknologioiden osaamisklusteri, jossa yli 300 ihmistä tekee monitieteistä yhteistyötä tutkimuksen, teollisuuden ja yhteiskunnan hyväksi. Klusteria johtaa Tampereen yliopisto ja mukana ovat Aalto-yliopisto, Itä-Suomen yliopisto sekä VTT. Hanke yhdistää koko arvoketjun perustutkimuksesta soveltavaan tutkimukseen, tuotekehitykseen ja kaupallistamiseen. Aalto-yliopisto palkitsi PREIN-projektiryhmän Tutkimusvaikuttaja-palkinnolla lukuvuotensa avajaisissa syyskuussa 2019.

Kuvituskuva symbloloi fotoniikan sovelluskohteita, joita on lähes loputtomasti. Kuvassa on muun muassa ääretön-merkki, josta on tehty silmälasit. Kuvittaja: Jolanda Jokinen.
Kuvitus: Jolanda Jokinen

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.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Professori Tuukka Saarimaa seisomassa tyhjällä nurmikentällä, joka sijaitsee Helsingin keskustassa Oodi-kirjaston ja musiikkitalon välisellä puistoalueella. Kuvaaja: Jaakko Kahilaniemi.
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Miten täyttäisit joutomaan, Tuukka Saarimaa?

Tulipa tontille puisto tai tornitalo, kaupunkitaloustieteen professori huolehtisi siitä, että ratkaisu punnitaan tarkkaan.
Kuvassa on professori Vesa Välimäki kuulokkeet päässään ja hänen vieressään akatemiatutkija Koray Tahiroğlu, joka soittaa yksikielistä monokordia. Kuvaaja: Jaakko Kahilaniemi.
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Silitys soikoon

Tekniikka voi tehdä soittajan kenestä tahansa. Aivot rakastavat musiikkia, mutta korvien kanssa pitää olla tarkkana.
Henkilökuvassa Helsinki Design Weekin perustaja Kari Korkman. Kuvaaja: Aleksi Poutanen.
Aalto Magazine, Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Muotoilun edistäjä

Jokaisen ihmisen kanssa voi tehdä yhteistyötä, Kari Korkman uskoo. Helsinki Design Week -tapahtuman perustaja innostuu porukalla ideoimisesta.
Käsi pitelee neula-tyyppistä anturia, joka soveltuu esimerkiksi mittauksiin aivoleikkeissä. Anturin kärjen halkaisija on vain yhden mikrometrin suuruinen. Kuvaaja: Iiro Immonen.
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Pienen pieni anturi, suuren suuri tehtävä

Millin tuhannesosien kokoinen anturi kertoo lääkärille, toimiiko annettu hoito aivoissa.