Дослідники досягли прориву в інтегрованій фотоніці, розробивши мікросхеми, які надійно перетворюють один лазерний колір у спектр нових відтінків без необхідності активного налаштування чи точного виробництва. Цей пасивний підхід долає давні обмеження в галузі, пропонуючи простіший і надійніший спосіб генерувати різні частоти світла на чіпі. Результати, опубліковані в журналі Science 6 листопада 2025 року, мають значення для метрології, нелінійної оптики та розробки передових фотонних пристроїв.
Завдання генерувати світло на мікросхемі
Десятиліттями вчені шукали способи створення компактних і універсальних джерел світла безпосередньо на чіпах. Традиційні методи часто вимагають точної інженерії та активної компенсації для контролю нелінійних взаємодій — процесу, під час якого світло змінює поведінку матеріалів, створюючи нові частоти. Ці взаємодії зазвичай слабкі та чутливі навіть до незначних змін у виробництві чіпів, що ускладнює масове виробництво. Можливість генерувати нові частоти світла безпосередньо на чіпі економить простір, енергію та усуває потребу в додаткових лазерах, які можуть навіть не існувати для певних довжин хвиль.
Резонаторні решітки з подвійною шкалою часу: пасивне рішення
Новий прорив був досягнутий командою з Об’єднаного квантового інституту (JQI) та Університету Меріленда. Дослідники виявили, що спеціальна конструкція чіпа — масив мікроскопічних оптичних резонаторів — природно сприяє ефективній нелінійній взаємодії без активного налаштування. Ключ у самій структурі, яка створює дві різні шкали часу для циркуляції світла. Маленькі кільця всередині масиву швидко циркулюють світло, тоді як весь масив діє як більший, повільніший резонатор. Ця структура подвійного синхронізації пом’якшує суворі умови фазового узгодження, які зазвичай заважають нелінійним пристроям.
Як це працює: Затухання узгодження фази частоти
Узгодження фази частоти означає точне вирівнювання частот світла та їхніх швидкостей у резонаторі. Якщо ці умови не виконуються, нелінійна взаємодія слабшає або зникає. Традиційно дослідники використовували вбудовані нагрівачі або точне виробництво для досягнення такого вирівнювання. Масив резонаторів із двома масштабами часу обходить цю потребу. Подвійні часові масштаби надають численні можливості для пасивного здійснення необхідних взаємодій, незалежно від незначних варіацій виробництва.
Експериментальні результати: стабільна продуктивність
Команда протестувала шість чіпів, виготовлених на одній пластині, за допомогою лазерного світла на частоті 190 ТГц (стандартна телекомунікаційна частота). Усі шість чіпів послідовно генерували другу, третю і навіть четверту гармоніки — червоне, зелене та синє світло — без будь-якого активного налаштування. Навпаки, однокільцеві пристрої з активною компенсацією генерували лише другу гармоніку у вузькому діапазоні умов. Масиви з подвійною шкалою часу працювали надійно в більш широкому діапазоні вхідних частот, навіть демонструючи докази генерації вкладених частотних гребнів при вищих інтенсивностях.
Значення для фотоніки та майбутніх досліджень
Цей прорив спрощує проектування та виробництво фотонних пристроїв, роблячи їх більш доступними та надійними. Пасивний підхід особливо актуальний для застосувань у метрології, перетворенні частоти та нелінійних оптичних обчисленнях. Команда підкреслює, що масив резонаторів із подвійною шкалою часу пропонує надійне рішення давньої проблеми в цій галузі.
«Одночасно ми значно пом’якшили ці проблеми вирівнювання, до того ж пасивно», — говорить провідний автор Махмуд Джалалі Мехрабад. «Нам не потрібні обігрівачі; у нас їх немає. Вони просто працюють».
Дослідники припускають, що цей підхід може прокласти шлях до більш універсальних і економічно ефективних фотонних пристроїв, прискоривши розвиток передових технологій, які покладаються на точний контроль світла.
Дослідження було проведено командою з JQI та Університету Меріленда, включаючи Ліду Сю, Грегорі Муая, Крістофера Флауера, Супратік Саркар, Апурва Пад’є, Шао-Чжен Оу, Даніеля Суарес-Фореро, Махді Гафаріасла, Картика Срінівасана, Мохаммада Хафезі та Янна Шембо.
