Den nya grundbulten i teknikutvecklingen

av Marie Granmar Forum 2015-07, sida 10-11, 27.08.2015

Der ny grundbulte iteknikutvecklinge + Få fiberoptik.

Ljus kommer att revolutionera teknikutvecklingen under 2000-talet på liknande sätt som elgjorde på 1900-talet, menar experterna. Nu storsatsar EU på det nya området fotonik.

MARIE GRANMAR TEXT X Redan idag finns många exempel på teknik där ljus ersätter eller kompletterar el, i det nya området som kallas fotonik. Det handlar om dataöverföring, mätteknik, vattenrening, solceller, digitalkameror, läsplattor, lampor och medicinsk teknik. De nya ljusbaserade teknikerna gör datornätverk både snabbare och mindre energikrävande, och kan ersätta traditionella verktyg och kemikalier.

Man skulle kunna säga att det pågår en dold ljusrevolution, eftersom ljus används på fler ställen än vi kanske anar. Utvecklingen är så intressant att EU har utsett fotonik till ett av sina strategiska nyckelområden som får generösa mängder forsknings- och innovationspengar: cirka 700 miljoner euro inom programmet Horizon 2020. År 2015 är ock KE — ronum rör rxonomiock TEKNIK NR7 2015

L så utsett till Ljusets år av FN-organisationen Unesco, för ökad utbildning om ljus.

Istället för el. Fotonik finns exempelvis i moderna bilars datanätverk där fiberoptiska plastkablar har ersatt kopparkablarna, berättar Fredrik Laurell, professor ilaserfysik på Kungliga tekniska högskolan (KTH) i Stockholm.

”Tio procent av det som finns i en bil är fotonik. Kommunikationen från datorn som styr bilens alla funktioner sker ofta med ljus för att det ska gå fort och för att man vill slippa elektromagnetiska störningar ”Förr itiden kunde airbagen utlösas av att man hade telefonen på ratten. Det finns exempel på tråkiga olyckor som skett då ringsignalen elektriskt utlöst airbagen så att föraren fått telefonen på näsan”; berättar Laurell.

Ett annat exempel på fotonik är det som kollegor till honom arbetar med: Nästa generations förbränningsmotorer — där traditionella tändstift byts ut mot en laser som tänder bränslet inne i cylindern. Fördelen blir en ökning av förbränningens verkningsgrad, vilket leder till minskade utsläpp av miljöföroreningar.

NY ERA. 1900-talet var elektronikens århundrade. 2000-talet väntas blir fotonikens, det vill säga det ytterst noggrant styrda ljusets era, till exempeli

LED. Belysning har blivit en gren av fotoniken i och med utvecklingen av energisnåla LED-lampor.

Dataflöde. Den mest kända fotoniken är fiberoptisk kabel för bredband - där data överförs med hjälp av ljuspulser i tunna glastrådar. En stor del av internettrafiken mellan Europa och USA leds sedan länge genomoptiska fiberkablar på Atlantens botten.

I Stockholm är fiberoptiskt bredband nu, efter 20 års arbete, draget till 90 procent av stadens hushåll. Fast de flesta har bara fiber dragen fram till källaren. Den nya trenden är så kallat fiber-till-hemmet, där optisk fiber dras ända in i lägenheten - till ett kopplingsskåp eller ett vägguttag.

Efterfrågan på fiberoptiskt bredband växer när allt fler arbetar på distans och mot det så kallade molnet. Och det är inte bara snabbhet som är fördelen då data skickas med hjälp av ljus i stället för elektriska signaler i kopparledningar: Energibehovet minskar med cirka 25 procent — bland annat för att värmeförlusterna blir lägre.

”Om en vanlig signal går två kilometer innan den behöver förstärkas, kan du skicka motsvarande optiska signal halvvägs till Göteborg. Så ur energisynpunkt är det en väldigt stor förbättring”, säger Laurell.

Mindre spill. Just möjligheten att minska energianvändningeniolika typer av utrustning är en viktig drivkraft för utvecklingen av foonik.

Det märks inte minst i företagandet på det här området. I Sverige finns idag över 100 företag med sammanlagt cirka 6 000 anställda, som arbetar med någon sorts fotonik. De flesa företagen har funnits i mindre än fem år. Många arbetar med utveckling av sensorer, ill exempel för gasmätning i industrin. Andrajobbar med medicinsk teknik - somlaserandläkarborrar som förångar i stället för slipar bort materialet i hålen.

Mest uppmärksammade är företag som arbetar med att utveckla teknik som lederljus så långt in i datorerna som möjligt. När daatrafiken ökar och serverhallarna växer och blir fler behövs åtgärder för att inte energiåtgången ska skena. Överslagsräkningar visar attinternet använder mellan 5 och 10 procent avhela världens elenergi. Mer ljusöverföringi och mellan datorer skulle kunna minska det.

Det kallas på svenska för optisk förbindningsteknik och är något som Lars Thylén, professor emeritus på KTH, arbetar med. Han jobbar även delar av året hos företaget Hewlett Packard Labs i Kalifornien.

”Facebooks datacenter i Luleå drar ungefär lika mycket effekt som en medelstor svensk stad. Mycket av det kommer från ransmissionen, alltså förbindningarna melan skåpen som finns i datorhallar. Därför opplas skåpen allt mer med optiska fiberablar ”Men fotoniken börjar även krypa längre inisystemen - till kretskorten och chipen och så småningom även inichipen, för transmission av information. På så vis kan man minska effektåtgång. Det är helt enkelt inte hållbart att hålla på som vi gör nu”; säger Thylén.

The Machine. Ett steg mot mer fotonik i datorsystem är den så kallade ”maskinen”, The Machine, som Hewlett Packard håller på att utveckla. I stora drag är den ett sorts datormoderkort som innehåller ett extremt snabbgenomsökt minne, fotonikkomponenter och ljusledare.

Ethernet-kablar med koppar ska bli onödiga i serverhallar som använder maskinen, och spillvärmen blir minimal, liksom datorernas storlek. Ett datacenter skulle kunna bli så litet som ett kylskåp, enligt visionen.

Utvecklingen handlar mycket om att försöka få optiska och elektriska funktioner att arbeta ihop på samma chip. Man kallar det för fotoniska integrerade kretsar (PIC), som innehåller pyttesmå lasrar, ljusdetektorer, resonatorer och ljusledare som överför information till och från transistorerna.

Fysikens gränser. Under 1980- och 90-talen pratades det om renodlade så kallade optiska datorer, där ljus även skulle användas för logiska operationer i transistorer. Det har dock visat sig vara svårt att genomföra i praktiken, mycket beroende på grundläggande fysik. Ljuspartiklarna, fotonerna, är helt enkelt för stora för att kunna arbeta inuti de pyttesmå transistorerna.

”Det är svårt att hitta ljuspartiklar som har mindre volym än en kubikvåglängd, och tyvärr är det ganska stort jämfört med en atom. Så här finns en av svagheterna med ljus eller fotonik”, säger Gunnar Björk, professor i mikrovågsteknik och fotonik på KTH.

Det som gäller i dag är att använda rätt teknik på rätt plats: Ljus för att överföra information, eftersom fotonerna inte påverkar varandra eller omgivningen elektromagnetiskt. Elektroner för logiska operationer och beräkningar inutitransistorer, eftersom elektroner påverkar varandra kraftigt. Och utvecklingen som vi sett hittills är bara början, menar Fredrik Laurell.

1900-talet var elektronikens århundrade och 2000-talet blir fotonikens. På 1900-talet gjorde vi teknikutveckling med ström. Men nu kommer vi i stället att använda ljus för mer sofistikerade saker > FOTONI = Gemensamt för all fotonik är att man på ett eller annat sätt använder ljus av olika våglängder och intensitet för att utföra uppgifter som tidigare gjorts av elektroniska komponenter, verktyg eller kemikalier. Det handlar ofta om att ersätta eller komplettera elektricitet.

= Om man dyker ner i detaljerna handlar det om att på olika sätt tygla ljusets minsta beståndsdelar - de små ljuspartiklar som kallas fotoner. De kan till exempel skickas ut i pulser som motsvarar ettor och nollor från en dator, i en bredbandsfiber, eller alstra el från solljus i en solcell.

= Namnet fotonik ställs i relation till elektronik där det är atomernas elektroner som rör sig inuti ett material, oftast koppar, och på så vis överför information eller skapar magnetism för styrning av något slag.

STORA SATSNINGA = EUharutsett fotonik till ett av de strategiska nyckelområden som får rikligt med forsknings- och innovationspengar just nu: cirka 700 miljoner euro inom programmet Horizon 2020.

sm År 2015 är också utsett till Ljusets år av FN-organisationen Unesco, för ökad utbildning om ljus. Läs mer här: www.jus2015.s > LED-LAMPOR ÄR FOTONI = Belysning har blivit en gren av fotoniken, i och med utvecklingen av energisnåla LED-lampor, som använder 80-90 procent mindre energi än glödlampor.

sm Bättre vitt sken har varit viktigt för en bredare användning av LED-belysning. För det får vi till stor del tacka fjolårets Nobelpristagare i fysik - Isamu Akasaki, Hiroshi Amano och Shuji Nakamura. Deras insats var att få fram stabila och välfungerande blåa lysdioder gjorda av halvledaren gallium-nitridmedindium och aluminium inblandat. sm Den nya sortens lysdioder (ljusemitterande diod, LED) banar också väg för många andra användningsområden.

= Exempelvis kan lysdioder med UV-ljus användas för desinficering, vattenrening, mätning, analys och kontrollerad odling i växthus.

= Effektiviteten på många dioder måste dock höjas ytterligare, och priset sänkas, innan det kan ske riktigt stora genombrott.

FORUM FÖR EKONOMI OCH TEKNIK NR 7 2015