Los investigadores han logrado un gran avance en la fotónica integrada al desarrollar chips que convierten de manera confiable un solo color láser en un espectro de nuevos tonos sin la necesidad de ajuste activo o fabricación precisa. Este enfoque pasivo supera una limitación de larga data en el campo y ofrece un camino más simple y robusto para generar diversas frecuencias de luz en un chip. Los hallazgos, publicados en Science el 6 de noviembre de 2025, tienen implicaciones para la metrología, la óptica no lineal y el desarrollo de dispositivos fotónicos avanzados.
El desafío de la generación de luz en un chip
Durante décadas, los científicos han buscado formas de crear fuentes de luz compactas y versátiles directamente en chips. Los métodos tradicionales a menudo requieren ingeniería precisa y compensación activa para gestionar las interacciones no lineales: el proceso mediante el cual la luz altera el comportamiento de los materiales para generar nuevas frecuencias. Estas interacciones suelen ser débiles y sensibles incluso a variaciones menores en la fabricación de chips, lo que dificulta la producción en masa. La capacidad de generar nuevas frecuencias de luz directamente en un chip ahorra espacio y energía y evita la necesidad de láseres adicionales que pueden ni siquiera existir para determinadas longitudes de onda.
Matrices de resonadores de dos escalas de tiempo: una solución pasiva
El nuevo avance proviene de un equipo del Joint Quantum Institute (JQI) y la Universidad de Maryland. Los investigadores descubrieron que un diseño de chip específico (una serie de resonadores ópticos microscópicos) promueve naturalmente interacciones no lineales eficientes sin sintonización activa. La clave es la estructura misma, que crea dos escalas de tiempo distintas para la circulación de la luz. Los anillos más pequeños dentro del conjunto hacen circular la luz rápidamente, mientras que todo el conjunto actúa como un resonador más grande y más lento. Esta disposición de escala de tiempo dual relaja las estrictas condiciones de coincidencia de fase y frecuencia que normalmente afectan a los dispositivos no lineales.
Cómo funciona: Coincidencia relajante de frecuencia y fase
La coincidencia de fase de frecuencia se refiere a la alineación precisa de las frecuencias de la luz y sus velocidades dentro de un resonador. Si no se cumplen estas condiciones, la interacción no lineal se debilita o desaparece. Tradicionalmente, los investigadores han utilizado calentadores integrados o una fabricación meticulosa para lograr esta alineación. La matriz de resonadores de dos escalas de tiempo evita esta necesidad. Las escalas de tiempo duales brindan múltiples oportunidades para que las interacciones necesarias ocurran pasivamente, independientemente de variaciones menores de fabricación.
Resultados experimentales: rendimiento constante
El equipo probó seis chips fabricados en la misma oblea, enviando luz láser a 190 THz (una frecuencia de telecomunicaciones estándar). Los seis chips generaron consistentemente segundos, terceros e incluso cuartos armónicos (luz roja, verde y azul) sin ningún ajuste activo. Por el contrario, los dispositivos de anillo único con compensación activa solo produjeron una generación de segundos armónicos en un rango estrecho de condiciones. Las matrices de dos escalas de tiempo funcionaron de manera confiable en una gama más amplia de frecuencias de entrada, incluso mostrando signos de generación de peines de frecuencias anidadas a intensidades más altas.
Implicaciones para la fotónica y la investigación futura
Este avance simplifica el diseño y la fabricación de dispositivos fotónicos, haciéndolos más accesibles y robustos. El enfoque pasivo es particularmente relevante para aplicaciones en metrología, conversión de frecuencia y computación óptica no lineal. El equipo enfatiza que la matriz de resonadores de dos escalas de tiempo ofrece una solución confiable a un problema de larga data en este campo.
“Al mismo tiempo, hemos relajado estos problemas de alineación en gran medida, y también de manera pasiva”, dice el autor principal Mahmoud Jalali Mehrabad. “No necesitamos calentadores; no tenemos calentadores. Simplemente funcionan”.
Los investigadores sugieren que este enfoque podría allanar el camino para dispositivos fotónicos más versátiles y rentables, acelerando el desarrollo de tecnologías avanzadas que se basan en la manipulación precisa de la luz.
La investigación fue realizada por un equipo de JQI y la Universidad de Maryland, que incluye a Lida Xu, Gregory Moille, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apurva Padhye, Shao-Chien Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Kartik Srinivasan, Mohammad Hafezi y Yanne Chembo.
