Neue photonische Chips wandeln Laserlicht passiv in mehrere Farben nach Bedarf um.

16. November 2025

von Chris Cesare, Joint Quantum Institute

bearbeitet von Andrew Zinin

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In den letzten Jahrzehnten haben Forscher rasante Fortschritte bei der Nutzung von Licht gemacht, um alle Arten von wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen zu ermöglichen. Von der Schaffung äußerst genauer Uhren bis hin zur Verarbeitung der Petabyte an Informationen in Datencentern ist die Nachfrage nach schlüsselfertigen Technologien, die Licht zuverlässig erzeugen und manipulieren können, zu einem globalen Markt im Wert von Hunderten Milliarden Dollar geworden.

Eine Herausforderung, die Wissenschaftlern Kopfzerbrechen bereitet hat, ist die Schaffung einer kompakten Lichtquelle, die auf einen Chip passt, was sie viel einfacher mit vorhandener Hardware integrierbar macht. Insbesondere haben Forscher lange darauf hingearbeitet, Chips zu entwerfen, die eine Farbe von Laserlicht in ein Farbspektrum zusätzlicher Farben umwandeln können - eine notwendige Zutat für den Bau bestimmter Arten von Quantencomputern und für präzise Messungen von Frequenz oder Zeit.

Jetzt haben Forscher am JQI neue Chips entworfen und getestet, die zuverlässig eine Farbe von Licht in ein Trio von Farbtönen umwandeln. Bemerkenswerterweise funktionieren die Chips alle ohne aktive Eingaben oder aufwändige Optimierung - eine erhebliche Verbesserung gegenüber bisherigen Methoden. Das Team beschrieb ihre Ergebnisse am 6. November 2025 in der Zeitschrift Science.

Die neuen Chips sind Beispiele für photonische Geräte, die einzelne Photonen, die quantenmechanischen Teilchen des Lichts, zusammenführen können. Photonische Geräte teilen, leiten um, verstärken und interferieren mit Strömen von Photonen, ähnlich wie elektronische Geräte den Fluss von Elektronen manipulieren.

'Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Verwendung von integrierter Photonik als Lichtquelle auf einem Chip ist der Mangel an Vielseitigkeit und Reproduzierbarkeit', sagt JQI-Fellow Mohammad Hafezi, der auch Professor für Elektrotechnik und Informatik sowie Physik an der University of Maryland ist. 'Unser Team hat einen bedeutenden Schritt unternommen, um diese Einschränkungen zu überwinden.'

Die neuen photonischen Geräte sind mehr als nur Prismen. Ein Prisma teilt mehrfarbiges Licht in seine Komponentenfarben oder -frequenzen auf, während diese Chips ganz neue Farben hinzufügen, die im einfallenden Licht nicht vorhanden sind. Die Fähigkeit, auf einem Chip neue Lichtfrequenzen zu erzeugen, spart den Platz und Energie, der normalerweise von zusätzlichen Lasern eingenommen würde. Und vielleicht noch wichtiger ist, dass in vielen Fällen Laser, die auf den neu erzeugten Frequenzen leuchten, gar nicht existieren.

Die Fähigkeit, auf einem Chip neue Lichtfrequenzen zu erzeugen, erfordert spezielle Interaktionen, die Forscher seit Jahrzehnten zu beherrschen lernen. Normalerweise sind die Wechselwirkungen zwischen Licht und einem photonischen Gerät linear, was bedeutet, dass das Licht gebogen oder absorbiert, aber seine Frequenz nicht verändert wird (wie bei einem Prisma). Im Gegensatz dazu treten nichtlineare Interaktionen auf, wenn das Licht so intensiv konzentriert wird, dass es das Verhalten des Geräts verändert, was wiederum das Licht verändert. Dieses Feedback kann eine Vielzahl verschiedener Frequenzen erzeugen, die vom Ausgang des Chips gesammelt und für Messungen, Synchronisation oder eine Vielzahl anderer Aufgaben verwendet werden können.

Leider sind nichtlineare Wechselwirkungen in der Regel sehr schwach. Eine der ersten Beobachtungen eines nichtlinearen optischen Prozesses wurde 1961 berichtet, und er war so schwach, dass jemand, der am Veröffentlichungsprozess beteiligt war, die Schlüsseldaten für einen Fleck hielt und sie aus der Hauptgrafik des Papiers entfernte. Dieser Fleck war die subtile Signatur der Zweiten Harmonischen Generation, bei der zwei Photonen mit einer niedrigeren Frequenz in ein Photon mit doppelter Frequenz umgewandelt werden. Verwandte Prozesse können die Frequenz des eingehenden Lichts verdreifachen, vervierfachen usw.

Seit dieser ersten Beobachtung der Zweiten Harmonischen Generation haben Wissenschaftler Möglichkeiten entdeckt, die Stärke nichtlinearer Wechselwirkungen in photonischen Geräten zu erhöhen. In der ursprünglichen Demonstration bestand der Stand der Technik darin, einfach einen Laser auf ein Stück Quarz scheinen zu lassen und die natürlichen elektrischen Eigenschaften des Kristalls zu nutzen. Heutzutage verlassen sich Forscher auf sorgfältig konstruierte Chips, die mit photonischen Resonatoren maßgeschneidert sind. Die Resonatoren leiten das Licht in engen Zyklen, so dass es hunderttausende oder Millionen Male zirkulieren kann, bevor es freigesetzt wird. Bei jedem einzelnen Durchgang durch einen Resonator tritt eine schwache nichtlineare Wechselwirkung auf, aber viele Durchgänge führen zu einem viel stärkeren Effekt. Dennoch bestehen immer noch Kompromisse, wenn versucht wird, ein bestimmtes Set neuer Frequenzen mit einem einzigen Resonator zu erzeugen.

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'Wenn Sie gleichzeitig eine zweite harmonische Generation, eine dritte harmonische Generation, eine vierte harmonische Generation haben möchten, wird es immer schwieriger', sagt Mahmoud Jalali Mehrabad, der Hauptautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand am JQI, der jetzt Forschungswissenschaftler am MIT ist. 'Sie kompensieren normalerweise, oder Sie opfern eine von ihnen, um eine gute dritte harmonische Generation zu erhalten, können aber keine zweite harmonische Generation erhalten, oder umgekehrt.'

Im Bemühen, einige dieser Kompromisse zu vermeiden, haben Hafezi und JQI-Fellow Kartik Srinivasan zusammen mit Professor Yanne Chembo für Elektrotechnik und Informatik an der University of Maryland (UMD) zuvor Möglichkeiten zur Verstärkung nichtlinearer Effekte durch die Verwendung einer Vielzahl winziger Resonatoren entwickelt, die alle gemeinsam arbeiten. Sie zeigten in früherer Arbeit, wie ein Chip mit Hunderten von mikroskopischen Ringen, die in ein Array von Resonatoren angeordnet sind, nichtlineare Effekte verstärken und Licht entlang seines Randes führen kann. Letztes Jahr zeigten sie, dass ein mit einem solchen Gitter strukturierten Chip einen gepulsten Laser in einen verschachtelten Frequenzkamm umwandeln konnte—Licht mit vielen gleichmäßig verteilten Frequenzen, das für alle Arten von hochpräzisen Messungen verwendet wird. Es dauerte jedoch viele Iterationen, um Chips mit der richtigen Form zu entwerfen, um den gewünschten präzisen Frequenzkamm zu erzeugen, und nur einige ihrer Chips funktionierten tatsächlich.

Die Tatsache, dass nur ein Bruchteil der Chips funktioniert hat, deutet auf die wahnsinnig hit-or-miss Natur der Arbeit mit nichtlinearen Geräten hin. Die Gestaltung eines photonischen Chips erfordert das Ausbalancieren mehrerer Dinge, um einen Effekt wie die Frequenzverdopplung zu erzeugen. Um die Frequenz des Lichts zu verdoppeln, muss ein nichtlinearer Resonator sowohl die Originalfrequenz als auch die verdoppelte Frequenz unterstützen. Genau wie eine gezupfte Gitarrensaite nur mit bestimmten Tönen summt, beherbergt ein optischer Resonator nur Photonen mit bestimmten Frequenzen, die durch seine Größe und Form bestimmt sind. Aber sobald Sie einen Resonator mit diesen eingestellten Frequenzen entworfen haben, müssen Sie auch sicherstellen, dass sie mit derselben Geschwindigkeit um den Resonator zirkulieren. Wenn nicht, werden sie aus dem Takt geraten, und die Effizienz der Umwandlung wird leiden.

Zusammen werden diese Anforderungen als Frequenz-Phasen-Anpassungsbedingungen bezeichnet. Um ein nützliches Gerät herzustellen, müssen Forscher gleichzeitig für das Eintreten beider Bedingungen sorgen. Leider werden winzige, nanometergroße Unterschiede von Chip zu Chip—die selbst die besten Chip-Hersteller der Welt nicht vermeiden können—die Resonanzfrequenzen ein wenig verschieben oder die Geschwindigkeit, mit der sie zirkulieren, ändern. Diese kleinen Änderungen reichen aus, um die fein abgestimmten Parameter in einem Chip zu überschreiben und das Design für die Massenproduktion unbrauchbar zu machen.

Einer der Autoren verglich die Situation mit der Wahrscheinlichkeit, eine Sonnenfinsternis zu beobachten. 'Wenn Sie die Finsternis wirklich sehen wollen, bedeutet das, dass sich der Mond mit der Sonne überlappen muss', sagt Lida Xu, Mitautorin und Doktorandin in Physik am JQI. Zuverlässige nichtlineare Effekte aus photonischen Chips erfordern eine ähnliche Art von Zufallsbegegnung.

Kleine Fehlausrichtungen in den Frequenz-Phasen-Anpassungsbedingungen können mit aktiver Kompensation überwunden werden, die die Materialeigenschaften eines Resonators anpasst. Aber das bedeutet, dass kleine eingebaute Heizer verwendet werden müssen—eine Lösung, die das Design kompliziert und eine separate Stromversorgung erfordert.

In der neuen Arbeit entdeckten Xu, Mehrabad und ihre Kollegen, dass das Array von Resonatoren, das in früheren Arbeiten verwendet wurde, bereits die Chancen erhöht, die Frequenz-Phasen-Anpassungsbedingungen passiv zu erfüllen—das heißt, ohne aktive Kompensation oder zahlreiche Designrunden. Anstatt die genauen Frequenzen zu konstruieren, die sie erzeugen wollten, und das Design des Chips in der Hoffnung auf einen funktionierenden zu überarbeiten, traten sie einen Schritt zurück und überlegten, ob das Array von Resonatoren über alle Chips hinweg stabile nichtlineare Effekte erzeugte. Als sie überprüften, waren sie angenehm überrascht zu sehen, dass ihre Chips für eingehendes Licht mit einer Frequenz von etwa 190 THz—einer Standardfrequenz, die in Telekommunikation und Glasfaserkommunikation verwendet wird—zweite, dritte und sogar vierte Harmonische erzeugen konnten.

Als sie sich in die Details vertieften, erkannten sie, dass der Grund, warum all ihre Chips funktionierten, mit der Struktur ihres Resonator-Arrays zusammenhing. Das Licht zirkulierte schnell um die kleinen Ringe im Array, was einen schnellen Zeitskala setzte. Aber es gab auch einen 'Super-Ring', der sich aus allen kleineren Ringen bildete, und das Licht zirkulierte darum langsamer. Das Vorhandensein dieser zwei Zeitskalen im Chip hatte einen wichtigen Einfluss auf die Frequenz-Phasenabstimmungsbedingungen, die sie zuvor nicht geschätzt hatten. Anstatt sich auf akribisches Design und aktive Kompensation verlassen zu müssen, um eine bestimmte Frequenz-Phasenabstimmungsbedingung zu erreichen, bieten die beiden Zeitskalen den Forschern mehrere Möglichkeiten, die notwendigen Interaktionen zu fördern. Mit anderen Worten, die beiden Zeitskalen bieten im Wesentlichen die Frequenz-Phasenabstimmung kostenlos.

Die Forscher testeten sechs verschiedene Chips, die auf demselben Wafer hergestellt wurden, indem sie Laserlicht mit der Standardfrequenz von 190 THz einsendeten, einen Chip von oben abbildeten und die Frequenzen analysierten, die einen Ausgangsanschluss verließen. Sie stellten fest, dass jeder Chip tatsächlich die zweiten, dritten und vierten Harmonischen erzeugte, die für ihren Eingangslaser zufällig rotes, grünes und blaues Licht waren. Sie testeten auch drei Einzelringgeräte. Selbst bei Verwendung von eingebetteten Heizungen zur aktiven Kompensation sahen sie nur die Erzeugung der zweiten Harmonischen von einem Gerät über einen engen Bereich von Heizungstemperatur und Eingangsfrequenz. Im Gegensatz dazu hatten die Resonator-Arrays mit zwei Zeitskalen keine aktive Kompensation und funktionierten über einen relativ breiten Bereich von Eingangsfrequenzen. Die Forscher zeigten sogar, dass die Chips, als sie die Intensität ihres Eingangslichts erhöhten, begannen, mehr Frequenzen um jede der Harmonischen herum zu erzeugen, was an das erstellte nested frequency comb in einem früheren Ergebnis erinnerte.

Die Autoren sagen, dass ihr Rahmenwerk weitreichende Auswirkungen auf Bereiche haben könnte, in denen bereits integrierte Photonik verwendet wird, insbesondere in den Bereichen Metrologie, Frequenzumwandlung und nichtlineare optische Rechenverarbeitung. Und das alles ohne den Ärger der aktiven Abstimmung oder genauer Konstruktion zur Erfüllung der Frequenz-Phasenabstimmungsbedingungen.

'Wir haben diese Ausrichtungsprobleme gleichzeitig in großem Maße gelöst, und auch auf passive Weise,' sagt Mehrabad. 'Wir brauchen keine Heizungen; wir haben keine Heizungen. Sie funktionieren einfach. Es löst ein langjähriges Problem.'

Neben Mehrabad, Hafezi, Srinivasan (der auch Fellow des National Institute of Standards and Technology ist), Chembo und Xu hatte die Studie mehrere weitere Autoren: Gregory Moille, ein assoziierter Forschungswissenschaftler am Joint Quantum Institute; Christopher Flower, ein ehemaliger Doktorand am Joint Quantum Institute, der nun Forscher am Naval Research Laboratory ist; Supratik Sarkar, ein Doktorand der Physik am Joint Quantum Institute; Apurva Padhye, ein Doktorand der Physik am Joint Quantum Institute; Shao-Chien Ou, ein Doktorand der Physik am Joint Quantum Institute; Daniel Suarez-Forero, ein ehemaliger Postdoktorand am Joint Quantum Institute, der jetzt Assistenzprofessor für Physik an der University of Maryland, Baltimore County ist; und Mahdi Ghafariasl, ein Postdoktorand am Joint Quantum Institute.

Weitere Informationen: Mahmoud Jalali Mehrabad et al, Multi-timescale frequency-phase matching for high-yield nonlinear photonics, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu6368

Journalinformation: Science

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