PREIN lyhyesti

PREIN – Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaiva

Fotoniikan tutkimuksen ja innovaatioiden lippulaiva (PREIN) on yksi kuudesta Suomen Akatemian ensimmäisen kauden lippulaivahankkeista, jotka valittiin vuonna 2019. Lippulaivaohjelma täydentyi vuonna 2020, jonka jälkeen lippulaivoja on yhteensä kymmenen.

Suomen Akatemian lippulaivaohjelma tukee korkealaatuista tutkimusta ja pyrkii lisäämään  tutkimuksen taloudellista ja yhteiskunnallista vaikuttavuutta. Suomen Akatemian lippulaivat edistävät tutkimuksen ja tuotekehityksen yhteistyötä yritysten ja yhteiskunnan kanssa. Lippulaivojen edellytykset kehittää tutkimusta, innovaatioita ja yhteistyötä edellyttävät isäntäorganisaatioiden vahvaa sitoutumista. Lippulaivaohjelma tukee tulevaisuuden osaamista ja kestäviä ratkaisuja yhteiskunnallisiin haasteisiin ja pyrkii edistämään talouskasvua kehittämällä uusia liiketoimintamahdollisuuksia.

Suomen Akatemian lippulaivaohjelma

Valoon perustuvien teknologioiden osaamiskeskittymä

PREIN on valoon perustuvien teknologioiden osaamiskeskittymä joka yhdistää eri tieteenaloja, yrityksiä ja yhteiskunnallisia toimijoita.  

Fotoniikan lippulaivaa koordinoi Tampereen yliopisto ja muut yhteistyökumppanit ovat Aalto-yliopisto, Itä-Suomen yliopisto ja Tekniikan tutkimuskeskus VTT.

Fotoniikan lippulaiva PREIN kokoaa yhteen yhteistyökumppaneiden resurssit ja infrastruktuurit kattaen koko arvoketjun perustutkimuksesta soveltavaan tutkimukseen, tuotekehitykseen ja kaupallistamiseen.

Fotoniikan toimijat samassa verkostossa

Fotoniikan lippulaiva PREIN keskittyy monitieteiseen tutkimukseen, kehittäen uusia innovaatioita yritysten ja yhteiskunnan hyödynnettäväksi. PREIN-lippulaiva on konsortio, jonka osapuolina ovat Tampereen yliopisto, Itä-Suomen yliopisto, Aalto-yliopisto ja VTT.

Konsortion kokonaistavoite on yhdistää kaikki toimijat, jotka vaikuttavat suomalaisessa fotoniikan ekosysteemissä. Näin syntyy verkosto, jonka toiminta kattaa koko polun perustutkimuksesta soveltavaan tutkimukseen ja sen jälkeiseen läpimurtoteknologioiden tuotekehitykseen ja kaupallistamiseen.

Fotoniikan tutkimuskärjet

PREIN kehittää valoon perustuvien teknologioiden sovelluksia muun muassa energiantuotannon, tietotekniikan ja ympäristöteknologian käyttöön. Lippulaivan organisaatioilla on toisiaan täydentävää osaamista aina nanomateriaalien tuottamisesta optisten komponenttien ja valonlähteiden kautta erilaisten instrumenttien ja integroitujen ratkaisujen toteuttamiseen.

Valonlähteet

Monet fotoniikan edistysaskeleet syntyvät uusista perusratkaisuista valon tuottamiseksi ja sen ominaisuuksien manipuloimiseksi. Valonlähteiden tutkimus tarjoaa uusia lähestymistapoja optisten kenttien keskeisten ominaisuuksien kuten polarisaation, koherenssin, spektrin ja lokalisoinnin ohjaamiseen. Valonlähteillä on välittömiä sovelluksia erilaisissa fotoniikan materiaaleissa ja rakenteissa sekä integroiduissa ratkaisuissa ja kvanttitilojen manipulaatiossa ja kvanttiteknologioissa. Keskeisiä uusia tutkimuksen kohteita ovat polarisaation hallinta fotonisissa integroiduissa piireissä (PIC), valon ja aineen välisen vuorovaikutusten optimointi ja hallitseminen tekoälyn avulla sekä komponenttien suunnittelu.

Materiaalit ja rakenteet

Uusien materiaalien ja rakenteiden kehittäminen on valoon perustuvien teknologioiden kannalta ensiarvoisen tärkeää. Materiaalien ja rakenteiden tutkiminen ja kehittäminen liittyy valonlähteiden ohjauksen perustutkimukseen ja kvanttiteknologioissa kehitettyihin ja sovellettaviin integroituihin komponentteihin sekä laitteisiin.  Tutkimusalueeseen on lisätty uusia teemoja kuten 2D-, perovskiitti- sekä muunnosmateriaalit. Tutkimuksen kohteena ovat myös uudet rakenteet, kuten metapinnat, joissa on parannettu lineaarista ja epälineaarista optista vastetta tunnistus- ja kuvantamistarkoituksia varten, keinotekoiset atomit ja molekyylit (jotka koostuvat esimerkiksi kullan nanoklustereista, timanttien tyhjiökeskuksista tai yksittäisistä poikkeuksista 2D-materiaaleissa). Tutkimusta tehdään myös hybridimateriaaleista integroituja aurinkokennoja varten. Kehittyneiden hybridimateriaalien ja uusien rakenteiden yhdistäminen tarjoaa ratkaisuja energiatehokkaisiin, kompakteihin ja edullisiin aurinkopaneelisovelluksiin.

Aktiiviset fotonikomponentit

Tämä tutkimuksen painopistealue on laajennus vuosien 2019-2021 tutkimusalueeseen "Kehittyneet laserlähteet.” Aktiivisten fotoniikan komponenttien tutkimus on materiaali- ja rakennetieteen tutkimusalueen ja soveltavan tutkimuksen ja kvanttiteknologian sovelluskohteiden rajapinnassa. Projektin ensimmäisessä vaiheessa tutkimus oli ensisijaisesti suunnattu uusien valonlähteiden kehittämiseen anturi- ja LIDAR-sovelluksiin. Seuraavassa vaiheessa tutkimus laajenee uusiin fotonikomponentteihin, jotka on alun perin kehitetty valokentän ohjauksen sekä materiaalien ja rakenteiden tutkimuksessa ja jotka ovat nyt valmiita siirtymään konkreettisiin sovelluksiin. Erityisesti kehitetyt PIC-tekniikat mahdollistavat useampien sovelluksia. Nämä tutkimuksen painopistealueet tukevat myös uusia kvanttiteknologioita kryogeenisten optoelektronisten komponenttien tutkimuksen kautta.

 

complex-shapes-of-photons-wfmrender_cmarkushiekkamaki_900x600.pngKvanttiteknologia 

Teemme yhteistyötä EU:n Kvanttitukimuksen lippulaivan ja Suomen Akatemian rahoittama kvanttiteknologian huippuyksikön kanssa ja yhteisten tutkimustulosten innoittamina PREIN lippulaivassa määriteltiin uusi tutkimuksen painopistealue toiselle lippulaivakaudelle.

Kvanttiteknologian tavoitteena on hyötyä kehitetyistä komponenteista, mukaan lukien integroidut yksifotonilähteet ja ilmaisinryhmät integroitujen modulaatiojärjestelmien tuottamiseksi, jotka mahdollistavat edistyneiden kvanttitilamanipulaatioiden suorittamisen. Nämä vuorostaan toimivat kvanttifotoniverkkojen rakennuspalikoina ja tehostavat integroituja kvanttifotoniikkajärjestelmiä kvanttisalausta, laskentaa ja tunnistusta varten.
 

Teknologiasovellukset

Fotoniikan sovellusten kehittämiseksi on määritelty oma tutkimuksen painopistealue jossa keskitytään erityisesti kolmeen sovellusalueeseen sekä tieteellisten tulosten käytäntöön siirtämiseen. Keskeistä on yhdistää perustutkimus konkreettisiin sovelluksiin ja olla tiiviissä vuorovaikutuksessa kaikkien muiden tutkimuksen painopistealueiden kanssa. Soveltava tutkimus hyödyntää perustutkimuksen tuloksia ja vie niitä eteenpäin sovellusten jatkokehitykseen ja tuottaa siten myös yhteiskunnallista vaikuttavuutta. Lippulaivaohjelman alkuvaiheessa määriteltiin tutkimuskärjiksi kannettavat, kertakäyttöiset anturit, LIDAR-teknologia ja älykkäät aurinkosähkömoduulit. Toisella lippulaivakaudella sovelluksia laajennetaan kattamaan laajemmin ympäristön tutkimuksen, lääketieteen ja kaukokartoituksen sekä aurinkoenergian alat.

Kehitämme myös kannettavia ja kertakäyttöisiä antureita varhaisdiagnostiikalle ja LIDAR-teknologiaa ympäristön ja teollisuuden seurantaan. Tutkimme uusia tieto- ja viestintätekniikan, laajennetun ja virtuaalisen todellisuuden sekä kvanttiteknologioiden käsitteitä ja komponentteja.