I ricercatori hanno compiuto un passo avanti nella fotonica integrata, sviluppando chip che convertono in modo affidabile un singolo colore laser in uno spettro di nuove tonalità senza la necessità di una regolazione attiva o di una produzione precisa. Questo approccio passivo supera una limitazione di lunga data nel campo, offrendo un percorso più semplice e più robusto per generare diverse frequenze luminose su un chip. I risultati, pubblicati su Science il 6 novembre 2025, hanno implicazioni per la metrologia, l’ottica non lineare e lo sviluppo di dispositivi fotonici avanzati.
La sfida della generazione di luce su chip
Per decenni, gli scienziati hanno cercato modi per creare sorgenti luminose compatte e versatili direttamente sui chip. I metodi tradizionali spesso richiedono un’ingegneria precisa e una compensazione attiva per gestire le interazioni non lineari, il processo mediante il quale la luce altera il comportamento dei materiali per generare nuove frequenze. Queste interazioni sono generalmente deboli e sensibili anche a variazioni minime nella produzione dei chip, rendendo difficile la produzione di massa. La capacità di generare nuove frequenze luminose direttamente su un chip consente di risparmiare spazio, energia ed evita la necessità di laser aggiuntivi che potrebbero anche non esistere per determinate lunghezze d’onda.
Array di risonatori a scala temporale doppia: una soluzione passiva
La nuova svolta arriva da un team del Joint Quantum Institute (JQI) e dell’Università del Maryland. I ricercatori hanno scoperto che il design specifico del chip, ovvero una serie di microscopici risonatori ottici, promuove naturalmente interazioni non lineari efficienti senza sintonizzazione attiva. La chiave è la struttura stessa, che crea due tempi distinti per la circolazione della luce. Gli anelli più piccoli all’interno della schiera fanno circolare la luce rapidamente, mentre l’intera schiera agisce come un risonatore più grande e più lento. Questa disposizione a doppia scala temporale allenta le rigorose condizioni di abbinamento frequenza-fase che tipicamente affliggono i dispositivi non lineari.
Come funziona: rilassante abbinamento frequenza-fase
L’adattamento frequenza-fase si riferisce al preciso allineamento delle frequenze della luce e delle loro velocità all’interno di un risonatore. Se queste condizioni non vengono soddisfatte, l’interazione non lineare si indebolisce o svanisce. Tradizionalmente, i ricercatori hanno utilizzato riscaldatori incorporati o una produzione meticolosa per ottenere questo allineamento. L’array di risonatori a scala temporale doppia elude questa esigenza. Le doppie scale temporali offrono molteplici opportunità affinché le interazioni necessarie avvengano passivamente, indipendentemente da piccole variazioni di produzione.
Risultati sperimentali: prestazioni costanti
Il team ha testato sei chip fabbricati sullo stesso wafer, inviando luce laser a 190 THz (una frequenza standard per le telecomunicazioni). Tutti e sei i chip generavano costantemente la seconda, la terza e anche la quarta armonica (luce rossa, verde e blu) senza alcuna accordatura attiva. Al contrario, i dispositivi ad anello singolo con compensazione attiva producevano la generazione della seconda armonica solo in una gamma ristretta di condizioni. Gli array a due scale temporali hanno funzionato in modo affidabile su una gamma più ampia di frequenze di ingresso, mostrando anche segni di generazione di pettini di frequenze nidificate a intensità più elevate.
Implicazioni per la fotonica e la ricerca futura
Questa innovazione semplifica la progettazione e la produzione di dispositivi fotonici, rendendoli più accessibili e robusti. L’approccio passivo è particolarmente rilevante per le applicazioni in metrologia, conversione di frequenza e calcolo ottico non lineare. Il team sottolinea che la serie di risonatori su due scale temporali offre una soluzione affidabile a un problema di lunga data sul campo.
“Contemporaneamente abbiamo allentato questi problemi di allineamento in misura enorme, e anche in modo passivo”, afferma l’autore principale Mahmoud Jalali Mehrabad. “Non abbiamo bisogno di riscaldatori; non abbiamo riscaldatori. Funzionano e basta.”
I ricercatori suggeriscono che questo approccio potrebbe aprire la strada a dispositivi fotonici più versatili ed economici, accelerando lo sviluppo di tecnologie avanzate che si basano su una precisa manipolazione della luce.
La ricerca è stata condotta da un team del JQI e dell’Università del Maryland, tra cui Lida Xu, Gregory Moille, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apurva Padhye, Shao-Chien Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Kartik Srinivasan, Mohammad Hafezi e Yanne Chembo
