Valoa on tuotettu, siirretty ja hyödynnetty vuosisatoja, ja valon ja optiikan alueen tutkimuksella on reilun sadan vuoden aikana saatu yli 50 fysiikan Nobel-palkintoa. Varsinaisesta fotoniikasta alettiin kuitenkin puhua laser- ja valokuituteknologian syntymisen myötä 1960-luvulla, kun valolla alettiin tehdä asioita, jotka oli perinteisesti toteutettu elektroniikalla.

Fotoniikka ei koske pelkkää näkyvää valoa. Tampereen yliopiston fotoniikan professori Goëry Genty kertoo, että merkittävä osa käytössä olevista fotoniikkaa hyödyntävistä teknologioista – kuten internetin runkona toimiva valokuituverkko – tukeutuu näkyvän valon ulkopuolisiin taajuuksiin, kuten infrapunavaloon.

Genty on Suomen Akatemian rahoittaman Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaivakonsortion (PREIN, Photonics Research and Innovation Flagship) johtaja.

– Jo Einstein totesi 1900-luvun alussa, että valo on nopeampaa kuin mikään muu. Paitsi nopein, se on myös täsmällisin tiedon kuljettaja, eikä se esimerkiksi terveydenhoidossa ole invasiivinen, eli se ei tunkeudu kuvannettaessa potilaan kudoksiin, hän summaa valon keskeiset edut.

– Koherenttia eli samanpituisia ja samassa suunnassa ja samalla taajuudella värähteleviä valoaaltoja tuottava laser ja siitä poikinut LCD-teknologia ovat modernin fotoniikan kulmakivi ja keskeisessä roolissa lähes kaikissa sen sovelluksissa.

Korvaako fotoniikka elektroniikan?

Kuluvasta vuosisadasta on ennustettu fotoniikan vuosisataa samaan tapaan kuin edellinen vuosisata oli elektroniikan ajanjakso, sillä fotoniikka on monin paikoin jo korvaamassa perinteiset elektroniikkaratkaisut ja mahdollistamassa aivan uusia teknologiasovelluksia. Sen globaalien markkinoiden arvioidaan olevan 600 miljardin dollarin luokkaa ja ennustetaan ylittävän viidessä vuodessa 1 000 miljardin dollarin rajan.

Genty muistuttaa, että fotoniikka on mukana lähes kaikissa moderneissa teknologioissa. Digitaalisen infrastruktuurin ohella sen keskeinen sovellusalue on terveysteknologia, jossa sitä käytetään niin tutkimuksessa, diagnostiikassa, kuvantamisessa kuin laserilla tehtävissä hoitotoimenpiteissä ja leikkauksissa.

– Uskon, että potilaiden hoidossa ja erityisesti itsehoidossa saadaan käyttöön yhä enemmän kannettavia diagnostiikkatyökaluja, jotka perustuvat fotoniikkaan, Genty ennustaa.

Teollisessa tuotannossa valoteknologioilla on runsaasti sovelluksia. Esimerkiksi hitsausta ja leikkausta tehdään yhä useammin laserilla sen tarjoaman suuren tarkkuuden ansiosta. Samoin erilaisten automaatiojärjestelmien anturit ja sensorit perustuvat valon mittaukseen. 

Myös ruoan tuotannon laadunvalvonnassa ja peltojen tarkkailussa käytetään optisia sensoreita, kuten dronekameroita eli kuvauskoptereita, joita tarvitaan myös ympäristön ja ilmakehän tilan valvontaan. 

– Aurinkokennot ovat viime vuosina kehittyneet valtavasti ja mullistaneet energiateollisuutta. Samanaikaisesti valaistus on siirtynyt kotona, työpaikoilla ja myös autoissa LED-teknologiaan, mikä on pienentänyt energiankulutusta aikaisempaan verrattuna, Genty listaa fotoniikan käytännön sovelluksia.

– Sensoreja tarvitaan lähes joka paikassa, kuten turvajärjestelmissä, sotateknologiassa ja kryptografiikassa. Lisäksi tulevat erilaiset laajennetun todellisuuden ratkaisut. Esimerkiksi autoissa on jo pitkään käytetty infrapunasäteilyä hyödyntäviä yönäköjärjestelmiä.

Pienempiä ja tehokkaampia laitteita

Keskeinen fotoniikan alueen kehitystrendi on ollut aikaisempien kömpelöiden optisten komponenttien jatkuva pienentyminen ja keventyminen. Teknologian miniatyrisointiin tehtyjen panostusten seurauksena uuden sukupolven laitteet ovat paitsi pieniä, myös aikaisempaa luotettavampia ja kuluttavat vähemmän energiaa.

– Jatkossa laitteiden koon pienentymisessä avainasemassa on piifotoniikka eli silicon photonics, jossa optisia materiaaleja yhdistellään perinteisten puolijohdemateriaalien kanssa. Sen ansiosta samalle lastulle voidaan rakentaa sekä elektronisia että optisia toiminnallisuuksia, Genty sanoo.

– Integroidut optiset piirit ja sirut on jo olemassa olevaa todellisuutta, mutta uskon, että piifotoniikka tuottaa seuraavan teknisen vallankumouksen tällä alalla. On kuitenkin vielä tutkijoiden unelmaa, että tulevaisuuden tietokoneet käsittelisivät dataa fotonien avulla.

Olemme fotoniikan suurvalta

Suomessa on alan yrityksiä asukasmäärään suhteutettuna eniten Euroopassa. Fotoniikan merkitys on tunnustettu eduskuntaa myöten ja maassa toimii vahva kansallinen teollisuusklusteri Photonics Finland. Suomalaisissa yliopistoissa tehdään maailmanluokan tutkimusta ja niiden vahva tutkimusinfrastruktuuri on myös yritysten käytettävissä. 

Laaja koulutustarjonta tuottaa osaavaa työvoimaa ja houkuttelee maahan paljon myös ulkomaisia nuoria osaajia. Ranskassa syntynyt ja kasvanut Genty suoritti itsekin jatko-opintonsa ja väitteli Otaniemessä. 

– Kymmenen vuotta sitten Suomea ei edes mainittu alan eurooppalaisissa listauksissa ja nyt meidät tunnustetaan yhdeksi maanosamme johtavista maista. Menestys on johdonmukaisen politiikan ja hyvän kotimaisen ja kansainvälisen yhteistyön tulosta, Genty sanoo. 

Fotoniikan alan yritykset ovat pääosin pieniä tai keskisuuria ja toisiinsa vahvasti verkottuneita organisaatioita, usein spin-offeja yliopistomaailmasta.

– Esimerkiksi yhteistyöstä käy erittäin vilkas ja aktiivinen Tampere Imaging Ecosystem -yhteisö, jolla on verkostossaan sekä akateemisia tutkijoita että kuvantamisteknologian alueella toimivia yrityksiä.

Vuonna 2020 alan yrityksissä työskenteli noin 4 000 henkeä, jotka tuottivat yhteensä 1,2 miljardin euron liikevaihdon. Yritysten määrä on kasvanut viidessä vuodessa liki kolmanneksella ja se on nyt yli 260.

– Fotoniikan alan yritykset ovat pääosin pieniä tai keskisuuria ja toisiinsa vahvasti verkottuneita organisaatioita, usein spin-offeja yliopistomaailmasta. Niiden joukossa on myös suurten yritysten osastoja, mutta Nokian kaltaisia alan suuryrityksiä täällä ei ole, ainakaan vielä. Suurin toimija on varmaankin Microsoft, jonka Tampereen tuotekehitystiimi jatkaa Nokian käynnistämää teollista perinnettä kannettavien laitteiden näyttöjen ja kameroiden parissa. 

Lippulaiva kehittää uutta

Gentyn johtama PREIN on yksi Suomen Akatemian lippulaiva
-otsikon alle kokoamista osaamiskeskittymistä. Akatemian rahoittaman konsortion taustalla vaikuttavat Tampereen yliopisto, Itä-Suomen yliopisto, Aalto yliopisto ja VTT. Sillä on yhteistyöverkostossaan 150 yritystä ja yli 280 tutkimusorganisaatiota 50 maassa.

Laadukkaan tutkimustyön ohella lippulaivoilta edellytetään myös merkittävää teknistä ja taloudellista vaikuttavuutta.

– PREINin piirissä työskentelee yli 400 tutkijaa, joiden työ kattaa käytännössä kaikki kehittyneen fotoniikan osa-alueet, kuten silikoniteknologiat, laserteknologian, valokennot, uudet nanorakenteet ja materiaalit, kvanttiteknologiat, optiset kuidut ja printattavan optiikan, Genty kuvaa konsortion toimintaa.

– Yksi vahvuuksistamme on, että taustaorganisaatioidemme asiantuntemus tukee ja täydentää toisiaan, eikä päällekkäisyyksiä ole. Katamme myös koko innovaatioketjun perustieteestä konkreettiseen järjestelmä- ja sovelluskehitykseen.

Viime aikoina PREINin tutkijat ovat panostaneet erityisesti energiataloutta parantaviin hankkeisiin, kuten entistäkin tehokkaampiin aurinkokennoihin, ilmakehän tilaa monitoroiviin sensoreihin, sekä terveysteknologian alalla itse tehtävää diagnostiikkaa mahdollistaviin kannettaviin laitteisiin. Mutta tutkimustyötä tehdään myös monilla muilla suunnilla.

– Meillä on myös tärkeä rooli promoottorina, sillä haluamme kertoa koko yhteiskunnalle, mitä kaikkea fotoniikalla voi tehdä: järjestämme seminaareja yrityksille, pidämme yllä rekrytointialustaa, ja kehitämme alan opetusta teollisuuden tarpeiden pohjalta. Tuotamme kouluille oppimateriaaleja ja myös edistämme tyttöjen tiedeharrastusta.