Viisi asiaa, jotka jokaisen pitäisi tietää fotoniikasta

Harva tietää, mitä fotoniikka on, vaikka se on olennainen osa arkeamme. Fotoniikka tutkii valoa ja sähkömagneettisia säteilyä sekä niiden tuottamista, siirtämistä ja muokkaamista. Tutkimuksen ytimessä ovat fotonit eli valohiukkaset.

Aalto-yliopiston sähkötekniikan apulaisprofessori Paul Verrinder kertoo viisi ajankohtaista asiaa fotoniikasta, jotka jokaisen olisi hyvä tietää. 

1. Fotoniikka on tärkeä osa sinunkin arkeasi

Esimerkiksi internetin tiedonsiirrosta huolehtivat yhä useammin valokuitukaapelit, jotka kuljettavat tietoa laserin avulla. Tietoliikenteen ja datakeskusten lisäksi fotoniikkaa hyödynnetään myös satelliiteissa, lääketieteellisessä kuvantamisessa ja itseohjautuvissa autoissa.

2. Valo liikuttaa tietoa tehokkaasti

Liikkuuko tieto valonnopeudella? Sitäkin, mutta valosta tekee ylivoimaisen tiedonvälittäjän sen taajuus ja matalat häviöt valokuidussa. Koska valolla on korkea taajuus, sillä on myös suuri kaistanleveys, mikä tarkoittaa, että se pystyy kuljettamaan enemmän tietoa.

"Kuvitellaan kaistanleveys moottoritienä. Yhden nopean kaistan sijaan moottoritiellä on monta kaistaa, jolloin valo pystyy välittämään enemmän tietoa samalla matkalla. Lisäksi valo voi kulkea hyvin pitkiä matkoja, jopa mantereiden välillä. Esimerkiksi kuparijohtimessa kulkevat sähköiset signaalit menettävät energiaa nopeasti, jolloin niitä täytyy vahvistaa muutaman kilometrin välein. Sen sijaan valo voi kulkea kuidussa satoja kilometrejä ilman vahvistusta", Verrinder sanoo.

Verrinder kuitenkin muistuttaa, että elektroniikka on hyvä skaalautumaan ja soveltuu tehokkaasti binääriseen laskentaan, mikä on fotoneilla vaikeaa toteuttaa tehokkaasti. Siksi kumpaakin tarvitaan.

3. Materiaalien yhdistäminen tuottaa tulevaisuuden ratkaisuja

Yleinen keskustelu keskittyy usein yksittäisiin ihmemateriaaleihin, vaikka olennaisempaa olisi Verrinderin mukaan pohtia niiden yhteistoimintaa. Hän painottaa, että ilman oikeaa materiaalia laser on kuin auto ilman moottoria.

"Esimerkiksi pii on edelleen elektroniikan peruskivi, mutta se ei tuota hyvin yksinään valoa. Siksi valonlähteenä ja tunnistimena käytetään muita puolijohdemateriaaleja, joista osa on huomattavasti tehokkaampia muuttamaan sähköä valoksi ja päinvastoin", Verrinder selittää.

Skaalautuminen ja tuotantokustannukset painavat puolijohdemateriaalien valmistuksessa. Verrinderin mukaan esimerkiksi galliumarsenidi ja indiumfosfidi tuottavat valoa tehokkaasti ja niitä käytetään useimmissa lasereissa. Ne ovat kuitenkin kalliimpia kuin pii, jota käytetään aallonjohtimissa ja elektroniikassa. Siksi hybridimalli tarjoaa parhaat puolet molemmista: tehokkaan valontuoton ja edullisen, skaalautuvan valmistuksen.

4. Fotoniikan avulla kohti energiatehokkaampia datakeskuksia

Tekoälyn suorituskyvyn kasvun odotetaan jatkuvan, mutta se edellyttää myös perusmateriaalien kehitystä sekä koko teknologian skaalautumista. Verrinderin mukaan datakeskusten energiatehokkuuden ja kestävyyden parantaminen edellyttää uusia materiaaleja, parempaa lämmönhallintaa sekä kehittyneempiä menetelmiä kaiken yhdistämiseksi.

Verrinder kertoo, että esimerkiksi tekoälyjätti Nvidia on alkanut ottaa käyttöön niin kutsuttua co-packaged optics -ratkaisua, jossa elektroniset ja fotoniset sirut pakataan fyysisesti samaan koteloon.

"Co-packaged optics -ratkaisun myötä signaalin matka lyhenee ja tiedonsiirto tehostuu. Nvidia on arvioinut ratkaisun vähentävän energiankulutusta jopa viidesosaan aiempaan verrattuna", Verrinder sanoo.

5. Teknologia kehittyy, mutta fotoniikan osaaminen ei vanhene

Laitteistojen rakentaminen muodostaa Verrinderin mukaan suurimman haasteen ja kehityksen pullonkaulan. Elektroniikan skaalautuminen on jatkunut vuosikymmeniä, mutta tekoälyn laskentatarve kasvaa sitäkin nopeammin.

Kehitteillä olevat perusteknologiat, kuten uudet aallonpituudet ja paremmat ilmaisimet, muokkaavat sitä, minkälaiset laitteet ovat tulevaisuudessa mahdollisia. Yksittäiset laiteratkaisut vaihtuvat, mutta Verrinder painottaa, että niiden taustalla oleva osaaminen ja ymmärrys puolijohdekomponenttien suunnittelusta ja rakentamisesta säilyttävät arvonsa myös tulevaisuudessa.

"Fotoniikan parissa työskentely tuo syvällistä ja kokemuksen kautta karttuvaa osaamista, jota koneet eivät pysty korvaamaan", Verrinder tiivistää.

Teksti: Mariia Kukkakorpi