Výzkumníci dosáhli průlomu v integrované fotonice, když vyvinuli čipy, které spolehlivě převádějí jedinou laserovou barvu na spektrum nových odstínů bez nutnosti aktivního ladění nebo přesné výroby. Tento pasivní přístup překonává dlouholeté omezení v oboru a nabízí jednodušší a spolehlivější způsob generování různých světelných frekvencí na čipu. Výsledky publikované v časopise Science 6. listopadu 2025 mají důsledky pro metrologii, nelineární optiku a vývoj pokročilých fotonických zařízení.
Úkolem generování světla na čipu
Po desetiletí vědci hledali způsoby, jak vytvořit kompaktní a všestranné světelné zdroje přímo na čipech. Tradiční metody často vyžadují přesné inženýrství a aktivní kompenzaci k řízení nelineárních interakcí – procesu, ve kterém světlo mění chování materiálů a vytváří nové frekvence. Tyto interakce jsou obvykle slabé a citlivé i na drobné změny ve výrobě čipů, což ztěžuje hromadnou výrobu. Možnost generovat nové světelné frekvence přímo na čipu šetří místo, energii a eliminuje potřebu dalších laserů, které pro určité vlnové délky ani nemusí existovat.
Duální časová pole rezonátorů: Pasivní řešení
Nového průlomu dosáhl tým z Joint Quantum Institute (JQI) a University of Maryland. Výzkumníci zjistili, že specifický design čipu – pole mikroskopických optických rezonátorů – přirozeně podporuje efektivní nelineární interakce bez aktivního ladění. Klíč je v samotné struktuře, která vytváří dvě různá časová měřítka pro cirkulaci světla. Malé kroužky uvnitř pole rychle cirkulují světlo, zatímco celé pole funguje jako větší, pomalejší rezonátor. Tato duální struktura časování uvolňuje přísné podmínky fázového přizpůsobení, které obvykle trápí nelineární zařízení.
Jak to funguje: Útlum frekvenčního fázového přizpůsobení
Frekvenční fázové přizpůsobení se týká přesného vyrovnání světelných frekvencí a jejich rychlostí v rezonátoru. Pokud tyto podmínky nejsou splněny, nelineární interakce slábne nebo mizí. K dosažení tohoto zarovnání vědci tradičně používají vestavěné ohřívače nebo přesnou výrobu. Pole rezonátorů se dvěma časovými stupnicemi tuto potřebu obchází. Duální časová měřítka poskytují více příležitostí k tomu, aby k nezbytným interakcím došlo pasivně, bez ohledu na drobné odchylky ve výrobě.
Experimentální výsledky: stabilní výkon
Tým testoval šest čipů vyrobených na jediném plátku zářícím laserovým světlem při 190 THz (standardní telekomunikační frekvence). Všech šest čipů konzistentně generovalo druhou, třetí a dokonce čtvrtou harmonickou – červené, zelené a modré světlo – bez jakéhokoli aktivního ladění. Naproti tomu zařízení s aktivní kompenzací s jedním kroužkem generovala pouze druhou harmonickou v úzkém rozsahu podmínek. Pole s duální časovou škálou fungovala spolehlivě v širším rozsahu vstupních frekvencí, dokonce vykazovala důkazy o vytváření vnořených frekvenčních hřebenů při vyšších intenzitách.
Důsledky pro fotoniku a budoucí výzkum
Tento průlom zjednodušuje návrh a výrobu fotonických zařízení, díky čemuž jsou dostupnější a spolehlivější. Pasivní přístup je zvláště důležitý pro aplikace v metrologii, frekvenční konverzi a nelineární optické výpočty. Tým zdůrazňuje, že pole rezonátorů s duálním časovým měřítkem nabízí robustní řešení dlouhodobého problému v této oblasti.
„Současně jsme tyto problémy se zarovnáním enormně a také pasivně zmírnili,“ říká hlavní autor Mahmoud Jalali Mehrabad. “Nepotřebujeme ohřívače; nemáme je. Prostě fungují.”
Výzkumníci naznačují, že tento přístup by mohl připravit cestu pro všestrannější a nákladově efektivnější fotonická zařízení, což urychlí vývoj pokročilých technologií, které se spoléhají na přesné řízení světla.
Studii provedl tým z JQI a University of Maryland, včetně Lida Xu, Gregory Muaya, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apoorva Padye, Shao-Zheng Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Karthik Srinivasan, Mohammad Hafezi a Yann Shembo.
