Forscher haben einen Durchbruch in der integrierten Photonik erzielt und Chips entwickelt, die eine einzelne Laserfarbe zuverlässig in ein Spektrum neuer Farbtöne umwandeln, ohne dass eine aktive Abstimmung oder präzise Fertigung erforderlich ist. Dieser passive Ansatz überwindet eine seit langem bestehende Einschränkung auf diesem Gebiet und bietet einen einfacheren und robusteren Weg zur Erzeugung verschiedener Lichtfrequenzen auf einem Chip. Die am 6. November 2025 in Science veröffentlichten Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Metrologie, die nichtlineare Optik und die Entwicklung fortschrittlicher photonischer Geräte.
Die Herausforderung der On-Chip-Lichterzeugung
Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, kompakte, vielseitige Lichtquellen direkt auf Chips zu schaffen. Herkömmliche Methoden erfordern oft präzise Technik und aktive Kompensation, um nichtlineare Wechselwirkungen zu bewältigen – den Prozess, durch den Licht das Verhalten von Materialien verändert, um neue Frequenzen zu erzeugen. Diese Wechselwirkungen sind typischerweise schwach und empfindlich gegenüber selbst geringfügigen Abweichungen bei der Chipherstellung, was die Massenproduktion zu einer Herausforderung macht. Die Möglichkeit, neue Lichtfrequenzen direkt auf einem Chip zu erzeugen, spart Platz und Energie und vermeidet die Notwendigkeit zusätzlicher Laser, die für bestimmte Wellenlängen möglicherweise gar nicht vorhanden sind.
Resonator-Arrays mit zwei Zeitskalen: Eine passive Lösung
Der neue Durchbruch stammt von einem Team des Joint Quantum Institute (JQI) und der University of Maryland. Forscher fanden heraus, dass ein bestimmtes Chipdesign – eine Anordnung mikroskopisch kleiner optischer Resonatoren – auf natürliche Weise effiziente nichtlineare Wechselwirkungen ohne aktive Abstimmung fördert. Der Schlüssel liegt in der Struktur selbst, die zwei unterschiedliche Zeitskalen für die Lichtzirkulation schafft. Kleinere Ringe innerhalb des Arrays lassen das Licht schnell zirkulieren, während das gesamte Array als größerer, langsamerer Resonator fungiert. Diese Dual-Zeitskalen-Anordnung lockert die strengen Frequenz-Phasen-Anpassungsbedingungen, mit denen nichtlineare Geräte typischerweise zu kämpfen haben.
Wie es funktioniert: Entspannende Frequenz-Phasen-Anpassung
Unter Frequenz-Phasen-Anpassung versteht man die präzise Ausrichtung von Lichtfrequenzen und deren Geschwindigkeiten innerhalb eines Resonators. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, wird die nichtlineare Wechselwirkung schwächer oder verschwindet. Um diese Ausrichtung zu erreichen, verwendeten Forscher traditionell eingebettete Heizelemente oder eine sorgfältige Fertigung. Das Resonator-Array mit zwei Zeitskalen umgeht diese Notwendigkeit. Die dualen Zeitskalen bieten mehrere Möglichkeiten, dass die notwendigen Interaktionen passiv stattfinden können, unabhängig von geringfügigen Herstellungsabweichungen.
Experimentelle Ergebnisse: Konsistente Leistung
Das Team testete sechs auf demselben Wafer hergestellte Chips und sendete Laserlicht mit 190 THz (einer Standardfrequenz der Telekommunikation). Alle sechs Chips erzeugten kontinuierlich zweite, dritte und sogar vierte Harmonische – rotes, grünes und blaues Licht – ohne aktive Abstimmung. Im Gegensatz dazu erzeugten Einzelringgeräte mit aktiver Kompensation nur in einem engen Bereich von Bedingungen die Erzeugung der zweiten Harmonischen. Die zweizeitskaligen Arrays funktionierten zuverlässig über einen breiteren Bereich von Eingangsfrequenzen und zeigten sogar Anzeichen einer verschachtelten Frequenzkammerzeugung bei höheren Intensitäten.
Implikationen für Photonik und zukünftige Forschung
Dieser Durchbruch vereinfacht das Design und die Herstellung photonischer Geräte und macht sie zugänglicher und robuster. Der passive Ansatz ist besonders relevant für Anwendungen in der Messtechnik, Frequenzumwandlung und nichtlinearen optischen Datenverarbeitung. Das Team betont, dass das zweizeitskalige Resonator-Array eine zuverlässige Lösung für ein seit langem bestehendes Problem auf diesem Gebiet bietet.
„Wir haben diese Abstimmungsprobleme gleichzeitig stark gelockert, und das auch auf passive Weise“, sagt Hauptautor Mahmoud Jalali Mehrabad. „Wir brauchen keine Heizungen; wir haben keine Heizungen. Sie funktionieren einfach.“
Die Forscher vermuten, dass dieser Ansatz den Weg für vielseitigere und kostengünstigere photonische Geräte ebnen und die Entwicklung fortschrittlicher Technologien beschleunigen könnte, die auf präziser Lichtmanipulation basieren.
Die Forschung wurde von einem Team am JQI und der University of Maryland durchgeführt, darunter Lida Xu, Gregory Moille, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apurva Padhye, Shao-Chien Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Kartik Srinivasan, Mohammad Hafezi und Yanne Chembo
