Vähän suurempi on kaunista

Piifotoniikkaa integroituine optisine piireineen voi ja ei voi verrata mikroelektroniikkaan, jossa samanlaisilla piisiruilla liikutellaan elektroneja. Optisilla piireillä elektronien sijasta kulkevat fotonit eli valo.

– Sähköisiä mikropiirejä käytetään jo nyt aivan kaikkialla sähköhammasharjoja myöten. Optisilla piireillä on lähes yhtä suuret sovellusmahdollisuudet, vaikkakin niiden käyttö on vielä hyvin rajattua, arvioi Piifotoniikka-tutkimustiimin vetäjä Timo Aalto VTT:ltä.  

Samalla tavalla kuin sähköinen mikro­piiri integroi samalle sirulle elektroniikan komponentteja, optinen piiri kokoaa optisia komponentteja – lasereita, valonilmaisimia ja kytkimiä, joilla voidaan tuottaa, reitittää, suodattaa, vastaan­ottaa ja moduloida valoa.

– Mikropiireissä johtimien kokoa rajoittaa viime kädessä niiden kuljettamien hiukkasten aallonpituus. Se on elektronilla vain atomin suuruusluokkaa, mutta valolla huomattavasti pidempi, piifotoniikassa yleensä 1.2–1.7 µm, Aalto kertoo.

– Elektroneja kuljettavissa johtimissa päästään sen ansiosta muutaman nanometrin vähimmäiskokoon, kun taas optisen valokanavan vähittäishalkaisija on siihen nähden satakertainen. Sen vuoksi optiseen mikropiiriin ei pystytä pakkaamaan miljardeja transistoreja, kuten elektroniseen mikropiiriin, vaan korkeintaan tuhansia optisia komponentteja.

Mihin optiset piirit soveltuvat?

Fotoniikan tärkein etu elektroniikkaan verrattuna on sen matala energiantarve ja vähäiset häviöt tiedonsiirrossa. Sen vuoksi sitä käytetään lähes kaikkeen tietoliikenteeseen. 

– Valon tuottaminen ja vastaanotto sekä datan reitittäminen onkin keskeisin optisten piirien käyttöalue. Ne soveltuvat myös laskentaan, esimerkiksi neuroverkko- ja kvanttilaskentaan, jossa voidaan hyödyntää valon aaltoluonnetta, Aalto sanoo.

– On myös olemassa sellaisia perusluonteeltaan optisia järjestelmiä, jotka integroidaan siruille koon ja kustannusten pienentämiseksi, ja joilla ei ole mitään tekemistä mikroelektroniikan kanssa.

Tutkimusta ja tuotantoa Suomessa

Maailmalla piifotoniikan kehitys pyrkii mikroelektroniikan tavoin mahdollisimman pieniin komponentteihin, jotka soveltuisivat tuotettavaksi olemassa olevissa mikroelektroniikan jättitehtaissa. Suomessa on sen sijaan lähdetty kehittämään ja tuottamaan optisia piirejä, joissa ei pyritä äärimmäiseen pienuuteen. 

Optiikassa pienempi koko ei tuota merkittäviä hyötyjä, Aalto muistuttaa. VTT:llä tutkitaan ja valmistetaan sen vuoksi etenkin kolme mikrometriä paksuihin valokanaviin pohjautuvia optisia piirejä. 

– Pienempikin riittäisi, mutta kanavan pitämisestä vähän suurempana tulee tiettyjä etuja. Pienemmät nanoluokan valokanavat ovat erittäin herkkiä erilaisille valmistustoleransseille eivätkä ne toimi laajalla aallonpituusalueella. Myös vaimennuskertoimet ovat kertaluokkaa isompia kuin mikroluokan väylillä, Aalto listaa syitä.

– Nanofotoniikka on suosittu akateemisten tutkimusten aihe, mutta sille on ollut vaikeaa löytää käytännön sovelluksia, sillä kustannukset eivät kompensoi hyötyjä. Käyttämämme kolmen mikrometrin halkaisija on ihannekoko, sillä valo pysyy hyvin kanavassa ja päästään melkein yhtä hyvään integrointitihey­teen kuin nanokanavilla. Olemme Suomessa maailman parhaita mikrometriluokan optisissa piireissä, joita ei voi tehdä jättitehtaissa Aasiassa tai USA:ssa. Sen sijaan niitä voitaisiin valmistaa täällä suhteellisen pienin investoinnein.