Onderzoekers hebben een doorbraak bereikt in geïntegreerde fotonica, door chips te ontwikkelen die op betrouwbare wijze een enkele laserkleur omzetten in een spectrum van nieuwe tinten zonder de noodzaak van actieve afstemming of nauwkeurige productie. Deze passieve benadering overwint een al lang bestaande beperking in het veld en biedt een eenvoudiger en robuuster pad voor het genereren van diverse lichtfrequenties op een chip. De bevindingen, gepubliceerd in Science op 6 november 2025, hebben implicaties voor metrologie, niet-lineaire optica en de ontwikkeling van geavanceerde fotonische apparaten.
De uitdaging van on-chip lichtgeneratie
Decennia lang hebben wetenschappers gezocht naar manieren om compacte, veelzijdige lichtbronnen rechtstreeks op chips te creëren. Traditionele methoden vereisen vaak nauwkeurige engineering en actieve compensatie om niet-lineaire interacties te beheren – het proces waarbij licht het gedrag van materialen verandert om nieuwe frequenties te genereren. Deze interacties zijn doorgaans zwak en gevoelig voor zelfs kleine variaties in de chipproductie, waardoor massaproductie een uitdaging wordt. De mogelijkheid om nieuwe lichtfrequenties rechtstreeks op een chip te genereren, bespaart ruimte en energie en vermijdt de noodzaak van extra lasers die voor bepaalde golflengten misschien niet eens bestaan.
Resonatorarrays met twee tijdschalen: een passieve oplossing
De nieuwe doorbraak komt van een team van het Joint Quantum Institute (JQI) en de Universiteit van Maryland. Onderzoekers ontdekten dat een specifiek chipontwerp – een reeks microscopische optische resonatoren – op natuurlijke wijze efficiënte niet-lineaire interacties bevordert zonder actieve afstemming. De sleutel is de structuur zelf, die twee verschillende tijdschalen voor lichtcirculatie creëert. Kleinere ringen binnen de array circuleren licht snel, terwijl de hele array fungeert als een grotere, langzamere resonator. Deze regeling met dubbele tijdschaal versoepelt de strenge frequentie-fase-aanpassingsvoorwaarden die doorgaans niet-lineaire apparaten teisteren.
Hoe het werkt: ontspannende frequentie-fase-matching
Frequentie-fase-matching verwijst naar de precieze uitlijning van lichtfrequenties en hun snelheden binnen een resonator. Als niet aan deze voorwaarden wordt voldaan, verzwakt de niet-lineaire interactie of verdwijnt deze. Traditioneel hebben onderzoekers ingebouwde verwarmingselementen of een nauwgezette productie gebruikt om deze afstemming te bereiken. De resonatorarray met twee tijdschalen omzeilt deze behoefte. De dubbele tijdschalen bieden meerdere mogelijkheden om de noodzakelijke interacties passief te laten plaatsvinden, ongeacht kleine productievariaties.
Experimentele resultaten: consistente prestaties
Het team testte zes chips die op dezelfde wafer waren gefabriceerd en die laserlicht uitzonden op 190 THz (een standaard telecommunicatiefrequentie). Alle zes de chips genereerden consequent tweede, derde en zelfs vierde harmonischen (rood, groen en blauw licht) zonder enige actieve afstemming. Daarentegen produceerden apparaten met één ring en actieve compensatie slechts een tweede harmonische generatie in een beperkt aantal omstandigheden. De arrays met twee tijdschalen werkten betrouwbaar over een breder bereik aan ingangsfrequenties en vertoonden zelfs tekenen van geneste frequentiekamgeneratie bij hogere intensiteiten.
Implicaties voor fotonica en toekomstig onderzoek
Deze doorbraak vereenvoudigt het ontwerp en de productie van fotonische apparaten, waardoor ze toegankelijker en robuuster worden. De passieve benadering is vooral relevant voor toepassingen in metrologie, frequentieconversie en niet-lineair optisch computergebruik. Het team benadrukt dat de resonatorarray met twee tijdschalen een betrouwbare oplossing biedt voor een al lang bestaand probleem in het veld.
“We hebben deze afstemmingsproblemen tegelijkertijd in grote mate versoepeld, en ook op een passieve manier”, zegt hoofdauteur Mahmoud Jalali Mehrabad. “We hebben geen verwarming nodig; we hebben geen verwarming. Ze werken gewoon.”
De onderzoekers suggereren dat deze aanpak de weg zou kunnen vrijmaken voor meer veelzijdige en kosteneffectieve fotonische apparaten, waardoor de ontwikkeling van geavanceerde technologieën die afhankelijk zijn van nauwkeurige lichtmanipulatie wordt versneld.
Het onderzoek werd uitgevoerd door een team van JQI en de Universiteit van Maryland, waaronder Lida Xu, Gregory Moille, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apurva Padhye, Shao-Chien Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Kartik Srinivasan, Mohammad Hafezi en Yanne Chembo.
