Ljuset som formar framtidens teknik

Vid Chalmers driver forskningscentrumet META-PIX utveckling inom integrerad fotonik. Genom internationella samarbeten och nytänkande metoder vill forskarna flytta gränserna för vad som är möjligt med ljus.

Ljuset är en av framtidens viktigaste byggstenar. Inom allt från kommunikation och sensorer till kvantteknologi spelar fotoniken – vetenskapen om att generera, kontrollera och detektera ljus – en avgörande roll. Vid Chalmers har forskningscentrumet META-PIX etablerats för att utveckla nästa generation integrerad fotonik.
– Integrerad fotonik handlar om att skapa, styra och detektera ljus på chipnivå. Ungefär som elektroniken har gjort med elektricitet, förklarar Victor Torres-Company, professor och centrumföreståndare för META-PIX.
Centrumet finansieras av Vetenskapsrådet och är ett av ett tjugotal svenska centra för spetsforskning. Det samlar fyra forskargrupper vid Chalmers och fungerar samtidigt som en plattform för internationellt samarbete.

Två tekniska spår i fokus
META-PIX bygger på två teknikspår som tillsammans kan förändra hur vi designar optiska komponenter. Det första är heterogen integration. Tekniken sammanför olika material med kompletterande optiska egenskaper på samma chip eller i samma krets. Syftet är att dra nytta av varje materials styrkor. Utmaningen – och det centrala forskningsmålet – är att göra detta på ett sätt som är kompatibelt med storskaliga tillverkningsprocesser.
Det andra spåret är inverterad design, där forskarna låter datorer utforska lösningar bortom den mänskliga intuitionen. I stället för att konstruera komponenter steg för steg specificerar forskarna önskad funktion och låter algoritmer optimera strukturen.
– Det kan resultera i komponenter som ser helt annorlunda ut än något vi tidigare kunnat föreställa oss, eftersom de bygger på fysik som inte fångas av traditionell design, säger Victor Torres-Company.
Tillsammans kan de två metoderna bana väg för optiska system som är snabbare och mer energieffektiva, och kanske till och med överskrider dagens prestandagränser.

Ljuskällor för framtidens kommunikation
Doktoranden Niklas Hammerschmidt har varit studentrepresentant i META-PIX och arbetar i dag i Victor Torres-Companys grupp med forskning på integrerade frekvenskammar, det vill säga ljuskällor som skickar ut extremt regelbundna pulser av ljus. Dessa används bland annat för exakt tidmätning och precisionsspektroskopi.
– Jag jobbar främst med nya materialplattformar. Ett exempel är att kombinera kiselnitrid, som är bra på att leda ljus, med litiumniobat, som är utmärkt för att modulera det. När man för ihop dem får man en plattform som utnyttjar bådas styrkor, säger han.
Den typen av hybridplattformar kan bli avgörande för framtidens fotonik. Inte minst när optiska system integreras i kommunikationsteknik, satelliter eller autonoma fordon.

Samarbete som accelererar utvecklingen
META-PIX drivs med en stark internationell profil. Forskarna samarbetar med universitet i bland annat Nederländerna och Sydkorea. Genom Stiftelsen för strategisk forsknings program för svensk-koreanskt forskningsutbyte drivs ett gemensamt projekt med det koreanska forskningsinstitutet KAIST.
– Deras expertis inom ultrasnabb laserfysik och mätteknik kompletterar vår forskning. Tillsammans studerar vi hur man kan skapa och mäta extremt precisa ljuspulser, så kallad timing jitter, berättar Victor Torres-Company.
Denna precision är avgörande för att generera stabila mikrovågssignaler, vilket i sin tur kan få stor betydelse för nästa generation trådlös kommunikation. Det gäller även för synkronisering av avancerade mätinstrument och forskningsanläggningar.
– Om man kan synkronisera utrustning på attosekundnivå öppnas nya möjligheter för forskning och teknik, från kvantexperiment till mer exakta sensorer, säger Niklas Hammerschmidt.

Arena för framtidens forskare
Utöver forskningsarbetet är META-PIX en utbildningsplattform. Genom gästforskarprogram, workshops och utbyten formas nästa generation fotonikforskare och ett ekosystem för svensk innovationskraft inom området.
– Det handlar inte bara om att göra komponenterna bättre. Det handlar om att utbilda människor som kan tänka nytt om ljus; hur det används, designas och produceras, säger Victor Torres-Company.
När ljuset kan styras med samma precision som elektriciteten öppnas möjligheter bortom dagens tillämpningar. Från trådlös kommunikation och datacenter till medicinska sensorer och kvantteknik. På så sätt kan fotoniken bli grunden för en ny våg av tekniska genombrott.
– Vi vill bidra till att forma den framtiden här i Sverige – i nära samarbete med världen, sammanfattar Victor Torres-Company.