Tampereen yliopistossa kehitetään puolijohdesiruja minikokoisiin optisiin järjestelmiin
Nouman Zia väitteli joulukuussa 2022 tohtoriksi aiheenaan pienoiskokoisten valonlähteiden kehittäminen. Hän tutki väitöstutkimuksessaan III-V-puolijohde- ja piiteknologian yhdistämistä osaksi valonlähteitä, joita voitaisiin käyttää hyvin pienikokoisissa optisissa kaasujärjestelmissä.
Nyt Zia jatkaa tutkimustaan sirujen käytöstä valopohjaisissa kaasuantureissa tutkimusprojektissa, jossa ovat mukana Tampereen yliopiston optoelektroniikan tutkimuskeskus (ORC) ja VTT sekä Vaisala, joka on maailman johtavan sään, ympäristön ja teollisuuden mittausratkaisujen asiantuntijayritys.
Zian mukaan yli 2 µm:n aallonpituudella toimiville ja laitteisiin integroitaville, pienikokoisille valonlähteille on suuri kysyntä, koska niitä tarvitaan kaasuantureissa ja lääketieteellisessä diagnostiikassa. Sovellukset eivät kuitenkaan rajoitu mittausjärjestelmiin, ja samanlaisia konsepteja voidaan käyttää eri aallonpituuksilla. Valonlähdealustaa voidaan hyödyntää esimerkiksi innovatiivisissa, valoon perustuvissa ratkaisuissa kvanttifotoniikan alalla tai suurnopeuksisessa optisessa viestinnässä datakeskuksissa.
Ideana yhdistää puolijohdevalonlähteet ja integroidut fotoniikkapiirit
Nykyiset kaasuanturit ovat yleensä joko suurikokoisia tai kalliita – tai molempia. Uudessa tutkimuksessa tiimi kehittää valopohjaisia antureita liittämällä yhteen puolijohdevalonlähteitä, joista yliopistolla on kansainvälisesti tunnustettua osaamista, ja piipohjaisia, integroituja fotoniikkapiirejä (PIC). Näin saadaan pienoiskoossa tuotettua ratkaisu, joka on mahdollista viedä osaksi laitetta tai järjestelmää.
Yleisesti puolijohdeteknologian avulla tilavuusmittakaavaa voidaan muuttaa ja siten vähentää kustannuksia, parantaa suorituskykyä ja yhdistää sirut järjestelmiin tai osaksi laitteita. Mikroelektroniikassa tämä tarkoittaa todellista teollista vallankumousta. Optisen toiminta-alueen laajentaminen mahdollistaisi myös uusia toimintoja. Esimerkiksi pitkillä aallonpituuksilla toimivat laitteisiin yhdistettävät valoon perustuvat anturit mahdollistaisivat kaasujen nopeamman ja herkemmän havaitsemisen.
– Kehittämistämme antureihin liitettävistä valonlähteistä tulee mikrokaasuanturin keskeinen komponentti. Projektin seuraavassa vaiheessa havainnollistamme yhteistyökumppaniemme kanssa kaasuanturin konseptin oikeaksi todistavia tuloksia, Zia kertoo.
Tehokasta yhteistyötä ja selkeät vastuualueet
Tutkimusryhmittymän jokaisella toimijalla on ainutlaatuinen asiantuntemus.
– Tampereen yliopiston tutkimusryhmä kehittää huipputason III-V-puolijohdevalonlähdelaitteita ja edistynyttä testauslaitteistoa tutkimuksessa kehitetyille siruille. VTT on piin valmistuksen etujoukoissa, ja sen piipohjainen fotoniikkapiirialusta, jossa on tavallista paksumpi kerros piitä, on yhteensopiva optoelektroniikan tutkimuskeskuksen III-V-puolijohdevalonlähteiden kanssa. Vaisala puolestaan toimittaa syötteet piipohjaisen pienoiskokoisen kaasuanturin käytännön validointiin, Zia toteaa.
Yliopiston tutkimusryhmä toteuttaa puolijohdeoptoelektroniikan komponenttien koko tutkimus- ja kehitysarvoketjun. Työ alkaa sovelluskohtaisten puolijohderakenteiden suunnittelusta, jota seuraa (tässä tapauksessa GaSb-pohjaisten) puolijohdekiekkojen valmistus, komponenttien puhdastilakäsittely, osajärjestelmien kehittäminen ja lopuksi konseptin tulosten oikeaksi todentaminen sovelluksen avulla.
Ryhmää johtaa professori Mircea Guina, joka toimi myös Noumanin väitöskirjan vastaavana ohjaajana. Dosentti Jukka Viheriälä koordinoi puolijohdekomponenttien valmistusta. Nouman Zian tehtävänä on suunnitella, valmistaa ja testata puolijohdesiruja. Hän vastaa myös niiden yhdistämisestä osaksi piipohjaisia fotoniikkapiirejä. Muut ryhmän jäsenet, Heidi Tuorila ja Samu-Pekka Ojanen, osallistuvat piipohjaisten fotoniikkapiirien ja konseptin tulosten oikeaksi todentamisessa tarvittavien kaasuanturien kehittämiseen sekä puolijohdesirujen prosessointiin.
Optoelektroniikan tutkimuskeskus, VTT ja Vaisala ovat tehneet yhteistyötä EU:n Horisontti 2020 -ohjelmasta rahoitetussa MIREGAS-hankkeessa ja Business Finlandin rahoittamissa RAPSI- ja PICAP-yhteisinnovaatiohankkeissa, jotka toimivat pohjana tämän projektin alkuvaiheen kehitystyölle. Työ liittyy myös Suomen Akatemian fotoniikan PREIN-lippulaivahankkeeseen.
Menestystä Huawein piifotoniikkakilpailussa
Zia sai joulukuussa 2022 Huawein myöntämän palkinnon tutkimukselleen. Tuomaristo vakuuttui esimerkiksi Zian tutkimuksen laadukkuudesta ja perusteellisuudesta, sekä hänen ratkaisujensa innovatiivisuudesta ja kaupallisesta potentiaalista.
– On hieno tunne saada tutkimustyölleni tunnustusta kansainvälisellä tasolla. Tuntuu, että työskentelen sellaisen asian parissa, joka tuo lisäarvoa ihmisten elämään, Zia iloitsee.
Huawein piifotoniikkakilpailu Silicon Photonics PhD Student Contest 2022 oli suunnattu eurooppalaisissa yliopistoissa opiskeleville tohtorikoulutettaville ja tutkijatohtoreille.
Lisätiedot
Nouman Zia
040 826 2484
nouman.zia [at] tuni.fi
