Puolijohdelaserien tutkimus avaa uusia ratkaisuja itseohjautuviin autoihin, lääketieteeseen ja piifotoniikkaan

Laservaloa käytetään nykyään monissa arkisissa sovelluskohteissa, kuten dvd- ja blu-ray-soittimissa, op­tisessa tiedonsiirrossa sekä viivakoodinlukijoissa. Tulevaisuudessa sovellusalojen kirjo näyttää vain kas­vavan. Laserien suorituskyvyn ja ominaisuuksien kehittyessä niitä voidaan käyttää tavoilla, jotka yh­dessä muun tekniikan kehityksen kanssa mahdollistavat uusien teknologioiden yleistymisen.

Olen suorittanut jatko-opintojani reilun vuoden verran Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa TTY:llä ja kerron tässä lyhyesti sovelluskohteista, joihin puolijohdelaserien kehitys­pro­jek­tim­me liittyvät. Tutkimuksessamme korostuu selkeästi kaksi puolta: materiaalitutkimus hyvälaatuisen lasermateriaalin valmistamiseksi sekä valmistustekniikoiden kehitys laadukkaiden komponenttien tuottamiseksi.

Sensoreita itseohjautuviin autoihin

Yksi suurimmista yhteiskuntaa tulevaisuudessa muokkaavista hankkeista lienee itseohjautuvien autojen kehittäminen. Monta teknistä ongelmaa on kuitenkin ratkaistava, ennen kuin autonomiset kulkuneuvot voivat yleistyä, ja yksi näistä ongelmista on autojen sensorijärjestelmä. Robottiautot voivat kerätä tietoa ympäristöstään useilla eri menetelmillä, joista yksi on LIDAR eli optinen tutka. Kehitämme täl­laiseen LIDAR-järjestelmään soveltuvaa kompaktia puolijohdelaseria, joka pyrkii ratkaisemaan kak­si ongelmaa: silmäturvallisuusvaatimuksista aiheutuvat tehorajoitteet sekä huonoista sää­olo­suh­teis­ta, kuten sumusta, johtuvan suorituskyvyn heikkenemisen.

Keltaista valoa kompaktisti

Puolijohdelaserit ovat käytännöllisiä ja pienikokoisia valonlähteitä moneen sovellukseen. Yksi niiden merkittävä ongelma kuitenkin on, että tietyillä aallonpituuksilla laserdiodien valoteho ja hyötysuhde ovat huonoja, ja kaikkia aallonpituuksia ei ole lainkaan mahdollista tuottaa suoraan. Eräs ongelmallinen aallonpituusalue on keltaisen ja oranssin valon välimaastossa, ja tällaisella laservalolla olisi so­vel­luskohteita mm. lääketieteessä ja spektroskopiassa. Lähestymistapamme ongelman ratkaisuun on tuttu esimerkiksi vihreistä laserpointtereista: kehitämme infrapuna-alueella emittoivaa suu­ri­tehoista laserdiodia, jonka säteilemän valon aallonpituus puolitetaan taajuuskahdennuskiteellä. Näin on mahdollista rakentaa pienikokoinen, keltaista valoa emittoiva komponentti. Tähän tutkimuskohteeseen liittyen väitöskirjani ensimmäinen vertaisarvioitu artikkeli on juuri julkaistavana (https://doi.org/10.1109/LPT.2017.2760038).

Sulautettuja valonlähteitä piifotoniikkaan

Piifotoniikalla tarkoitetaan sovellusalaa, jossa piialustaa käytetään valon ohjaamiseen ja muokkaamiseen, ja sillä on useita käyttökohteita tiedonsiirrosta signaalinkäsittelyyn. Vaikka pii on hallitseva materiaali perinteisessä elektroniikassa, sitä ei voida käyttää valon synnyttämiseen tai vahvistamiseen, joten optisesti aktiiviset komponentit täytyy valmistaa muista materiaaleista. Ryhmämme tutkii tapoja sulauttaa nämä valonlähteet suoraan piifotoniikkapiirille, jolloin piireistä on mahdollista rakentaa pienikokoisempia ja monipuolisempia.

Antti Aho työskentelee väitöskirjatutkijana Optoelektroniikan tutkimuslaitoksella Tampereen teknillisellä yliopistolla tutkimusalanaan suuritehoiset, kapean viivanleveyden laserdiodit. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä apurahaa jatko-opintoihinsa vuonna 2017.