Os pesquisadores alcançaram um avanço na fotônica integrada, desenvolvendo chips que convertem de forma confiável uma única cor de laser em um espectro de novos tons, sem a necessidade de ajuste ativo ou fabricação precisa. Esta abordagem passiva supera uma limitação de longa data no campo, oferecendo um caminho mais simples e robusto para gerar diversas frequências de luz em um chip. As descobertas, publicadas na Science em 6 de novembro de 2025, têm implicações para a metrologia, a óptica não linear e o desenvolvimento de dispositivos fotônicos avançados.
O desafio da geração de luz no chip
Durante décadas, os cientistas procuraram maneiras de criar fontes de luz compactas e versáteis diretamente nos chips. Os métodos tradicionais muitas vezes exigem engenharia precisa e compensação ativa para gerenciar interações não lineares – o processo pelo qual a luz altera o comportamento dos materiais para gerar novas frequências. Essas interações são normalmente fracas e sensíveis até mesmo a pequenas variações na fabricação de chips, tornando a produção em massa um desafio. A capacidade de gerar novas frequências de luz diretamente em um chip economiza espaço, energia e evita a necessidade de lasers adicionais que podem nem existir para determinados comprimentos de onda.
Matrizes ressonadoras de duas escalas de tempo: uma solução passiva
A nova descoberta vem de uma equipe do Joint Quantum Institute (JQI) e da Universidade de Maryland. Os pesquisadores descobriram que um design específico de chip – um conjunto de ressonadores ópticos microscópicos – promove naturalmente interações não lineares eficientes sem ajuste ativo. A chave é a própria estrutura, que cria duas escalas de tempo distintas para a circulação da luz. Anéis menores dentro do conjunto circulam a luz rapidamente, enquanto todo o conjunto atua como um ressonador maior e mais lento. Esse arranjo de escala de tempo dupla relaxa as rigorosas condições de correspondência de fase de frequência que normalmente afetam os dispositivos não lineares.
Como funciona: correspondência relaxante entre frequência e fase
A correspondência frequência-fase refere-se ao alinhamento preciso das frequências de luz e suas velocidades dentro de um ressonador. Se estas condições não forem satisfeitas, a interação não linear enfraquece ou desaparece. Tradicionalmente, os pesquisadores têm usado aquecedores embutidos ou fabricação meticulosa para conseguir esse alinhamento. O conjunto ressonador de duas escalas de tempo contorna essa necessidade. As escalas de tempo duplas oferecem múltiplas oportunidades para que as interações necessárias ocorram passivamente, independentemente de pequenas variações de fabricação.
Resultados Experimentais: Desempenho Consistente
A equipe testou seis chips fabricados no mesmo wafer, enviando luz laser a 190 THz (uma frequência padrão de telecomunicações). Todos os seis chips geraram consistentemente segundo, terceiro e até quarto harmônicos – luz vermelha, verde e azul – sem qualquer ajuste ativo. Em contraste, os dispositivos de anel único com compensação ativa produziram apenas geração de segundo harmônico em uma faixa estreita de condições. As matrizes de duas escalas de tempo funcionaram de maneira confiável em uma faixa mais ampla de frequências de entrada, mostrando até mesmo sinais de geração de pente de frequência aninhada em intensidades mais altas.
Implicações para fotônica e pesquisas futuras
Esta inovação simplifica o projeto e a fabricação de dispositivos fotônicos, tornando-os mais acessíveis e robustos. A abordagem passiva é particularmente relevante para aplicações em metrologia, conversão de frequência e computação óptica não linear. A equipe enfatiza que o conjunto ressonador de duas escalas de tempo oferece uma solução confiável para um problema de longa data no campo.
“Simultaneamente, relaxamos essas questões de alinhamento em grande medida e também de forma passiva”, afirma o autor principal, Mahmoud Jalali Mehrabad. “Não precisamos de aquecedores; não temos aquecedores. Eles simplesmente funcionam.”
Os pesquisadores sugerem que esta abordagem poderia abrir caminho para dispositivos fotônicos mais versáteis e econômicos, acelerando o desenvolvimento de tecnologias avançadas que dependem da manipulação precisa da luz.
A pesquisa foi conduzida por uma equipe da JQI e da Universidade de Maryland, incluindo 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.
