Naukowcy osiągnęli przełom w zintegrowanej fotonice, opracowując chipy, które niezawodnie przekształcają pojedynczy kolor lasera w spektrum nowych odcieni bez konieczności aktywnego dostrajania lub precyzyjnej produkcji. To pasywne podejście przezwycięża istniejące od dawna ograniczenia w tej dziedzinie, oferując prostszy i bardziej niezawodny sposób generowania różnych częstotliwości światła w chipie. Wyniki, opublikowane 6 listopada 2025 r. w czasopiśmie Science, mają wpływ na metrologię, optykę nieliniową i rozwój zaawansowanych urządzeń fotonicznych.
Zadanie generowania światła na chipie
Naukowcy od dziesięcioleci szukają sposobów na stworzenie kompaktowych i wszechstronnych źródeł światła bezpośrednio na chipach. Tradycyjne metody często wymagają precyzyjnej inżynierii i aktywnej kompensacji, aby kontrolować interakcje nieliniowe – proces, w którym światło zmienia zachowanie materiałów w celu wygenerowania nowych częstotliwości. Interakcje te są zazwyczaj słabe i wrażliwe na nawet niewielkie zmiany w produkcji chipów, co utrudnia masową produkcję. Możliwość generowania nowych częstotliwości światła bezpośrednio w chipie pozwala zaoszczędzić miejsce, energię i eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych laserów, które dla niektórych długości fal mogą nawet nie istnieć.
Układy rezonatorów z podwójną skalą czasową: rozwiązanie pasywne
Nowego przełomu dokonał zespół ze Joint Quantum Institute (JQI) i Uniwersytetu Maryland. Naukowcy odkryli, że specyficzna konstrukcja chipa – szereg mikroskopijnych rezonatorów optycznych – w naturalny sposób sprzyja wydajnym interakcjom nieliniowym bez aktywnego dostrajania. Klucz tkwi w samej strukturze, która tworzy dwie różne skale czasowe cyrkulacji światła. Małe pierścienie w układzie szybko rozprowadzają światło, podczas gdy cały układ działa jak większy i wolniejszy rezonator. Ta struktura podwójnego taktowania łagodzi rygorystyczne warunki dopasowania fazowego, które zazwyczaj są plagą w urządzeniach nieliniowych.
Jak to działa: Tłumienie dopasowane do fazy częstotliwości
Dopasowanie fazowe częstotliwości odnosi się do precyzyjnego dopasowania częstotliwości światła i ich prędkości w rezonatorze. Jeżeli te warunki nie są spełnione, oddziaływanie nieliniowe słabnie lub zanika. Tradycyjnie, aby osiągnąć to wyrównanie, badacze korzystali z wbudowanych grzejników lub precyzyjnej produkcji. Szereg rezonatorów z dwiema skalami czasowymi pozwala uniknąć tej potrzeby. Podwójne skale czasowe zapewniają wiele możliwości pasywnego występowania niezbędnych interakcji, niezależnie od drobnych wahań w produkcji.
Wyniki eksperymentów: stabilna wydajność
Zespół przetestował sześć chipów wytworzonych na pojedynczej płytce za pomocą światła laserowego o częstotliwości 190 THz (standardowa częstotliwość telekomunikacyjna). Wszystkie sześć chipów konsekwentnie generowało drugą, trzecią, a nawet czwartą harmoniczną – światło czerwone, zielone i niebieskie – bez żadnego aktywnego strojenia. Natomiast urządzenia jednopierścieniowe z aktywną kompensacją generowały tylko drugą harmoniczną w wąskim zakresie warunków. Macierze o podwójnej skali czasowej działały niezawodnie w szerszym zakresie częstotliwości wejściowych, wykazując nawet dowody na generowanie zagnieżdżonych grzbietów częstotliwości przy wyższych intensywnościach.
Implikacje dla fotoniki i przyszłych badań
Ten przełom upraszcza projektowanie i produkcję urządzeń fotonicznych, czyniąc je bardziej przystępnymi cenowo i niezawodnymi. Podejście pasywne jest szczególnie istotne w zastosowaniach w metrologii, konwersji częstotliwości i nieliniowych obliczeniach optycznych. Zespół podkreśla, że układ rezonatorów o podwójnej skali czasowej oferuje solidne rozwiązanie długotrwałego problemu w tej dziedzinie.
„Jednocześnie ogromnie i pasywnie złagodziliśmy te problemy z wyrównaniem”, mówi główny autor Mahmoud Jalali Mehrabad. „Nie potrzebujemy grzejników. Nie mamy ich. Po prostu działają.”
Naukowcy sugerują, że takie podejście mogłoby utorować drogę bardziej wszechstronnym i opłacalnym urządzeniom fotonicznym, przyspieszając rozwój zaawansowanych technologii polegających na precyzyjnej kontroli światła.
Badanie przeprowadził zespół z JQI i Uniwersytetu Maryland, w skład którego wchodzili Lida Xu, Gregory Muaya, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apoorva Padye, Shao-Zheng Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Karthik Srinivasan, Mohammad Hafezi i Yann Shembo.
