Tiedonkäsittelyyn ja -siirtoon tulee lisää tehoa, kunhan valoa opitaan ohjaamaan tarkasti.


TEKSTI:Anu Huttunen ja Päivi Törmä

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Tiedonkäsittelyyn ja -siirtoon tulee lisää tehoa, kunhan valoa opitaan ohjaamaan tarkasti.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

8/2002




Nykyaikainen tiedon käsittely perustuu sähkövirran ohjattuun kulkuun transistoreissa ja muissa puolijohteista valmistetuissa elektroniikan komponenteissa. Yhä nopeampaan tietojenkäsittelyyn pyrittäessä transistoreita on jatkuvasti pienennettävä. Puolijohdetekniikka kohtaa kuitenkin fysiikan asettamat rajansa, kun rakenteet alkavat olla atomin kokoisia.

Tarvitaan siis uusia keinoja. Valo on lupaava ehdokas, sillä siihen voidaan sisällyttää valtava määrä tietoa. Valoa on kuitenkin kyettävä ohjaamaan yhtä tarkasti kuin sähkövirtaa transistorissa. Siihen tehtävään saattaa sopia fotonikide, joka tosin voisi olla nimeltään yhtä hyvin myös valokide. Fotoni on kuitenkin nasevampi ilmaus, sillä se kattaa näkyvän valon lisäksi kaiken muunkin sähkömagneettisen säteilyn, esimerkiksi matkapuhelinten mikroaallot.

Fotonikiteen idea on siinä, että se ohjaa valoa tekemään juuri sitä mitä halutaan. Siinä se käyttää hyväkseen valon aaltoliikettä. Ohjaamalla aaltoja sopivasti ne voivat vahvistaa tai heikentää toisiaan. Tällä tavalla niitä voidaan myös estää joutumasta vääriin paikkoihin.

Luonto itse tarjoaa meille esimerkkejä valoaaltojen ohjailusta. Esimerkiksi saippuakuplan vaihteleva värikkyys johtuu siitä, että ohuen saippuakalvon sisä- ja ulkopinnan väliset heijastukset päästävät läpi vain tiettyjä aallonpituuksia. Silloin muiden aallonpituuksien on pakko heijastua, ja näemme kunkin aallonpituuden tiettynä värinä. Samasta syystä myös asfaltille lorahtanut öljyläikkä on värikäs.



Rakenteeseen tarvitaan ohjausreikiä

Valon kulkua voidaan ohjata rakenteilla, jotka päästävät valoa lävitseen eri tavalla. Valon aallonpituus on vain noin millimetrin kahdestuhannesosa, joten taitavinkaan kelloseppä ei tällaista kapinetta voi valmistaa. Tarvitaan toisenlaisia keinoja.

Aluksi ei itse asiassa käytettykään näkyvää valoa vaan valoaaltoja satatuhatta kertaa pidempiä mikroaaltoja. Niiden aallonpituus on muutamia millejä tai senttejä.

Vuonna 1987 Eli Yablanovitch teki Bellin laboratoriossa Yhdysvalloissa ensimmäisen mikroaalloilla toimivan fotonikiteen poraamalla sähköä eristävään aineeseen halkaisijaltaan millimetrin kokoisia reikiä. Tätä rakennetta alettiin kutsua yablanoviitiksi.

Yablanoviitti toimii mikroaaltojen fotonikiteenä, koska mikroaaltojen nopeus on reikien kohdalla suurempi kuin eristeessä. Nopeuseron takia mikroaallot kääntyilevät yablanoviitissa hallitusti uusiin suuntiin kuin valo linssin pinnassa, jos reiät on porattu oikeisiin kohtiin.

Sen sijaan näkyvän valon aallonpituus on niin pieni, ettei poraamista kannata ajatellakaan. Siksi valolla toimivan fotonikiteen valmistaminen on paljon vaikeampaa. Yhdysvaltalainen Sandia National Laboratories -tutkimuslaitos kertoi 1999 valmistaneensa fotonikiteen, joka toimii näkyvää valoa hieman pitkäaaltoisemmalla infrapunasäteilyllä.

Valoaaltoja ohjailevat rakenteet saadaan aikaan esimerkiksi etsauksella ja mikrolitografialla, joita käytetään muun muassa tietokoneiden ja matkapuhelinten mikropiirien valmistamiseen. Muita mahdollisia menetelmiä ovat holografia ja itsejärjestyvä mikrorakenne. Itsejärjestymisessä esimerkiksi titaanioksidi asettuu sopivan sitkaassa hyytelössä millimetrin tuhannesosan kokoisiksi palleroiksi, jotka yhdessä muodostavat fotonikiteen tarvitseman rakenteen.

Valo ei voi livahtaa omille teilleen

Valoa käytetään jo tiedonsiirrossa. Valokaapelit ovat vakiintuneet tärkeäksi tiedon välittäjäksi valtameren ylittävillä matkoilla. Nykyinen internet pohjautuu pitkälti optisen tiedonsiirron ylivertaisuuteen.

Valokaapelit ovat suurten mittojen rakenteita, mutta sähköisen mikropiirin korvaavassa fotonimikropiirissä valon pitäisi kääntyä tarvittaessa aivan uuteen suuntaan millimetrin tuhannesosan matkalla. Valokuitua ei voi taivuttaa näin tiukasti.

Sen sijaan fotonikide päästää valon mutkittelemaan jyrkästikin. Fotonikiteen rakenne myös varmistaa, ettei valo pääse livahtamaan omille teilleen vaan pysyy sille tarkoitetulla reitillä samaan tapaan kuin sähkövirta pysyy johtimessa.

Valo tehdään kiteen onkalossa

Tietokoneet saavat sähkövirtansa akusta tai seinästä, mutta mistä optisen tietokoneen valo tulee? Vastaus on oikeastaan helppo arvata: fotonikiteestä.

Fotonikiteillä siis paitsi ohjataan valon kulkua myös tuotetaan tiedonkäsittelyssä tarvittava valo. Valo saadaan aikaan tekemällä fotonikiteeseen hyvin pieni onkalo, niin sanottu mikrokaviteetti, johon voi syntyä vain onkalon mittoihin sopivia valoaaltoja. Kaikki muut aallonpituudet jäävät pois.

Onkalo valmistetaan muuttamalla halutulla kohdalla materiaalin ominaisuuksia tai yksinkertaisesti poistamalla osa materiaalista, jolloin tuloksena on kirjaimellisestikin onkalo. Vaikka onkaloa ei näe paljain silmin, se on aineen rakenteen kannalta kuitenkin suuri, sillä yhden valoaallon matkalle mahtuu yli tuhat atomia. Onkalo muotoillaan siten, että valoaallot jäävät poukkoilemaan edestakaisin kuin ääniaallot salissa, jossa on pitkä kaiku.

Koska onkalo sallii vain tietyn aallonpituuden, valosta tulee hyvin voimakas. Mikään ei kuitenkaan ole edes fotonikiteessä täydellistä, ja siksi osa valosta livahtaa onkalosta ulos ja se saadaan käyttöön.

Näin meillä on jo periaatteessa kaikki ne välineet, jotka tarvitaan tietotekniikan sähkövirran korvaamiseen valolla:

• Virtalähteen tilalla on fotonikide, jonka onkalo tuottaa voimakasta yksiväristä valoa.


• Sähkönjohtimen tilalla on fotonikide, joka ohjaa valon ja myös siihen lisätyn tiedon haluttuun paikkaan.


• Transistorin tilalla on fotonikide, joka katkoo ja reitittää valonsädettä siten kuin ohjelman mukainen tiedonkäsittely edellyttää.

Jos nämä kaikki saadaan sovitetuksi yhdeksi kokonaisuudeksi, tuloksena on valolla toimiva suoritin, joka osaa hoitaa samat tehtävät kuin nykyisten tietokoneiden suorittimet - mahdollisesti kuitenkin paljon tehokkaammin, sillä käsiteltävä tieto siirtyy nyt valon nopeudella.

Ontossa kuidussa vauhdikkaimmin

Ennen optisten suorittimien toteutumista fotonikiteitä ehkä käytetään uudenlaisten valokaapeleiden valmistukseen.

Koska valonsäteet pysyvät fotonikiteessä koossa paremmin kuin perinteisessä valokaapelissa, tiedonsiirrosta tulee luotettavampaa ja matkalla tulleiden virheiden korjaus on kätevämpää. Nopeuskin kasvaa, jos fotonikidekuitu tehdään ontoksi. Silloin valo etenee siinä 300 000 kilometriä sekunnissa eli paljon nopeammin kuin nykyisissä valokaapeleissa, joiden lasi hidastaa valon nopeuden noin 200 000 kilometriin sekunnissa.

Toimivuus testattu laboratoriossa

Fotonikiteen toimivuus on muutaman viime vuoden aikana varmistettu kokeellisesti useassa laboratoriossa eri puolilla maailmaa. Uranuurtajia ovat esimerkiksi Toronton yliopisto Kanadassa, Massachusettsin tekninen korkeakoulu MIT ja Sandia National Laboratories Yhdysvalloissa sekä Euroopassa Tanska, josta löytyy muun muassa yksi ensimmäisistä fotonikidekuitua valmistavista yrityksistä, Crystal Fibre A/S.

Vaikka perusajatus on jo osoitettu toimivaksi, matkalla kohti luotettavia menetelmiä riittää vielä haasteita.

On esimerkiksi selvitettävä, miten valo todellakin saadaan seuraamaan tiukkoja, millimetrin tuhannesosan kokoisia mutkia, miten vuodot ohuista fotonikidelevyistä estetään ja miten valoa tuottavat onkalot saadaan käytännössä toimimaan.

Myös Suomessa fotonikiteitä tutkitaan sekä kokeellisesti että teoreettisesti jo monissa yliopistoissa, korkeakouluissa ja tutkimuslaitoksissa, sillä lupaavan uuden tekniikan kehityksessä halutaan olla mukana ensi mikrometreiltä lähtien.

Anu Huttunen työskentelee Teknillisessä korkeakoulussa laskennallisen tekniikan tutkijana.


Päivi Törmä on Jyväskylän yliopiston fysiikan professori.


Sisältö jatkuu mainoksen alla