Исследователи добились прорыва в интегральной фотонике, разработав чипы, которые надёжно преобразуют один лазерный цвет в спектр новых оттенков без необходимости активной настройки или точного производства. Этот пассивный подход преодолевает давнее ограничение в этой области, предлагая более простой и надёжный путь для генерации различных световых частот на чипе. Результаты, опубликованные в журнале Science 6 ноября 2025 года, имеют последствия для метрологии, нелинейной оптики и разработки передовых фотонных устройств.
Задача генерации света на чипе
На протяжении десятилетий учёные искали способы создания компактных и универсальных источников света непосредственно на чипах. Традиционные методы часто требуют точной инженерии и активной компенсации для управления нелинейными взаимодействиями — процессом, в котором свет изменяет поведение материалов для генерации новых частот. Эти взаимодействия обычно слабы и чувствительны даже к незначительным изменениям в производстве чипов, что затрудняет массовое производство. Возможность генерировать новые световые частоты непосредственно на чипе экономит пространство, энергию и устраняет необходимость в дополнительных лазерах, которых может даже не существовать для определённых длин волн.
Массивы резонаторов с двумя временными масштабами: пассивное решение
Новый прорыв был достигнут командой из Объединённого квантового института (JQI) и Университета Мэриленда. Исследователи обнаружили, что конкретная конструкция чипа — массив микроскопических оптических резонаторов — естественным образом способствует эффективным нелинейным взаимодействиям без активной настройки. Ключ в самой структуре, которая создаёт два различных временных масштаба для циркуляции света. Небольшие кольца внутри массива циркулируют свет быстро, в то время как весь массив действует как более крупный, медленный резонатор. Такая двойная временная структура ослабляет строгие условия фазового согласования частот, которые обычно преследуют нелинейные устройства.
Как это работает: ослабление фазового согласования частот
Фазовое согласование частот относится к точному выравниванию световых частот и их скоростей внутри резонатора. Если эти условия не соблюдены, нелинейное взаимодействие ослабевает или исчезает. Традиционно исследователи использовали встроенные нагреватели или точное производство для достижения этого выравнивания. Массив резонаторов с двумя временными масштабами обходит эту необходимость. Двойные временные масштабы предоставляют множество возможностей для необходимых взаимодействий, происходящих пассивно, независимо от незначительных производственных отклонений.
Экспериментальные результаты: стабильная производительность
Команда протестировала шесть чипов, изготовленных на одной пластине, направив лазерный свет на частоте 190 ТГц (стандартная частота телекоммуникаций). Все шесть чипов последовательно генерировали вторую, третью и даже четвёртую гармоники — красный, зелёный и синий свет — без какой-либо активной настройки. В отличие от этого, однокольцевые устройства с активной компенсацией производили генерацию только второй гармоники в узком диапазоне условий. Массивы с двумя временными масштабами работали надёжно в более широком диапазоне входных частот, даже демонстрируя признаки генерации вложенных частотных гребней при более высокой интенсивности.
Последствия для фотоники и будущие исследования
Этот прорыв упрощает проектирование и производство фотонных устройств, делая их более доступными и надёжными. Пассивный подход особенно актуален для приложений в метрологии, преобразовании частоты и нелинейных оптических вычислениях. Команда подчёркивает, что массив резонаторов с двумя временными масштабами предлагает надёжное решение давней проблемы в этой области.
«Мы одновременно ослабили эти проблемы с выравниванием в огромной степени, и ещё и пассивно», — говорит ведущий автор Махмуд Джалали Мехрабад. «Нам не нужны нагреватели; у нас их нет. Они просто работают».
Исследователи предполагают, что этот подход может проложить путь к более универсальным и экономичным фотонным устройствам, ускоряя разработку передовых технологий, которые зависят от точного управления светом.
Исследование было проведено командой из JQI и Университета Мэриленда, включая Лиду Сюй, Грегори Муайя, Кристофера Флауэр, Супратика Саркара, Апурву Падье, Шао-Чжена Оу, Даниэля Суареса-Фореро, Махди Гафариасла, Картика Сринивасана, Мохаммада Хафези и Янна Шембо.
