Nuevos chips fótonicos convierten pasivamente la luz láser en múltiples colores a pedido

16 de noviembre de 2025

por Chris Cesare, Instituto Conjunto de Quantum

editado por Andrew Zinin

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En las últimas décadas, los investigadores han estado avanzando rápidamente en el aprovechamiento de la luz para habilitar todo tipo de aplicaciones científicas e industriales. Desde la creación de relojes increíblemente precisos hasta el procesamiento de los petabytes de información que circulan por los centros de datos, la demanda de tecnologías llave en mano que puedan generar y manipular la luz de manera confiable se ha convertido en un mercado global que vale cientos de miles de millones de dólares.

Un desafío que ha desconcertado a los científicos es la creación de una fuente compacta de luz que se ajuste a un chip, lo que facilita mucho su integración con el hardware existente. En particular, los investigadores han buscado durante mucho tiempo diseñar chips que puedan convertir un color de luz láser en un arco iris de colores adicionales, un ingrediente necesario para construir ciertos tipos de computadoras cuánticas y realizar mediciones de frecuencia o tiempo con precisión.

Ahora, los investigadores en JQI han diseñado y probado nuevos chips que convierten de manera confiable un color de luz en un trío de tonos. Sorprendentemente, los chips funcionan todos sin ningún tipo de entradas activas u optimización meticulosa, una mejora importante respecto a métodos anteriores. El equipo describió sus resultados en la revista Science el 6 de noviembre de 2025.

Los nuevos chips son ejemplos de dispositivos fotónicos, que pueden capturar fotones individuales, las partículas cuánticas de luz. Los dispositivos fotónicos dividen, enrutan, amplifican e interfieren con flujos de fotones, de manera similar a la forma en que los dispositivos electrónicos manipulan el flujo de electrones.

"Uno de los principales obstáculos en el uso de la fotónica integrada como fuente de luz en un chip es la falta de versatilidad y reproducibilidad", dice el miembro de JQI Mohammad Hafezi, quien también es profesor Minta Martin de ingeniería eléctrica e informática y profesor de física en la Universidad de Maryland. "Nuestro equipo ha dado un paso significativo hacia la superación de estas limitaciones".

Los nuevos dispositivos fotónicos son más que simples prismas. Un prisma divide la luz multicolor en sus colores o frecuencias componentes, mientras que estos chips agregan colores totalmente nuevos que no están presentes en la luz entrante. La capacidad de generar nuevas frecuencias de luz directamente en un chip ahorra el espacio y la energía que normalmente ocuparían los láseres adicionales. Y quizás lo más importante, en muchos casos, los láseres que brillan en las frecuencias recién generadas ni siquiera existen.

La capacidad de generar nuevas frecuencias de luz en un chip requiere interacciones especiales que los investigadores han estado aprendiendo a diseñar desde hace décadas. Por lo general, las interacciones entre la luz y un dispositivo fotónico son lineales, lo que significa que la luz puede doblarse o absorberse, pero su frecuencia no cambiará (como en un prisma). Por el contrario, las interacciones no lineales ocurren cuando la luz se concentra tan intensamente que altera el comportamiento del dispositivo, lo que a su vez altera la luz. Este retroalimentación puede generar una variedad de frecuencias diferentes, que se pueden recolectar de la salida del chip y utilizar para mediciones, sincronización u una variedad de otras tareas.

Lamentablemente, las interacciones no lineales suelen ser muy débiles. Una de las primeras observaciones de un proceso óptico no lineal se informó en 1961, y fue tan débil que alguien involucrado en el proceso de publicación confundió los datos clave con una mancha y los eliminó de la figura principal del artículo. Esa mancha era la sutil señal de generación de segundo armónico, en la que dos fotones a una frecuencia más baja se convierten en un fotón con el doble de la frecuencia. Los procesos relacionados pueden triplicar la frecuencia de la luz entrante, cuadriplicarla, y así sucesivamente.

Desde esa primera observación de la generación de segundo armónico, los científicos han descubierto formas de aumentar la fuerza de las interacciones no lineales en dispositivos fotónicos. En la demostración original, el estado del arte era simplemente iluminar un láser en un trozo de cuarzo, aprovechando las propiedades eléctricas naturales del cristal. Hoy en día, los investigadores confían en chips meticulosamente diseñados adaptados con resonadores fotónicos. Los resonadores guían la luz en ciclos cerrados, lo que permite que circule cientos de miles o millones de veces antes de ser liberada. Cada viaje único a través de un resonador agrega una débil interacción no lineal, pero muchos viajes se combinan en un efecto mucho más fuerte. Sin embargo, todavía hay compensaciones cuando se intenta producir un conjunto particular de nuevas frecuencias utilizando un solo resonador.

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'Si deseas tener simultáneamente generación de segundo armónico, generación de tercer armónico, cuarto armónico—se vuelve más y más difícil,' dice Mahmoud Jalali Mehrabad, el autor principal del documento y un ex investigador postdoctoral en JQI que ahora es un científico investigador en MIT. 'Por lo general, se compensa, o se sacrifica uno de ellos para obtener una buena generación de tercer armónico pero no se puede obtener generación de segundo armónico, o viceversa.'

En un esfuerzo por evitar algunos de estos compromisos, Hafezi y el miembro de JQI Kartik Srinivasan, junto con el Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática Yanne Chembo de la Universidad de Maryland (UMD), han sido pioneros anteriormente en formas de potenciar los efectos no lineales mediante el uso de un grupo de resonadores diminutos que trabajan todos en conjunto. Mostraron en trabajos anteriores cómo un chip con cientos de anillos microscópicos dispuestos en una serie de resonadores puede amplificar los efectos no lineales y guiar la luz alrededor de su borde. El año pasado, mostraron que un chip diseñado con tal rejilla podía transformar un láser pulsado en un peine de frecuencia anidado—luz con muchas frecuencias igualmente espaciadas que se utiliza para todo tipo de mediciones de alta precisión. Sin embargo, se necesitaron muchas iteraciones para diseñar chips con la forma correcta para generar el peine de frecuencia preciso que buscaban, y solo algunos de sus chips realmente funcionaron.

El hecho de que solo una fracción de los chips funcionara indica la irritante naturaleza de acierto o error al trabajar con dispositivos no lineales. Diseñar un chip fotónico requiere equilibrar varias cosas para generar un efecto como la duplicación de frecuencia. Primero, para duplicar la frecuencia de la luz, un resonador no lineal debe admitir tanto la frecuencia original como la frecuencia duplicada. Así como una cuerda de guitarra pulsada solo vibrará con ciertos tonos, un resonador óptico solo aloja fotones con ciertas frecuencias, determinadas por su tamaño y forma. Pero una vez que diseñas un resonador con esas frecuencias bloqueadas, también debes asegurarte de que circulen alrededor del resonador a la misma velocidad. Si no lo hacen, se desincronizarán entre sí, y la eficiencia de la conversión sufrirá.

Juntas, estas condiciones se conocen como condiciones de coincidencia de fase y frecuencia. Para producir un dispositivo útil, los investigadores deben organizar simultáneamente ambas condiciones para que coincidan. Desafortunadamente, las diminutas diferencias de nanómetros de chip a chip—que ni siquiera los mejores fabricantes de chips del mundo pueden evitar—desplazarán un poco las frecuencias resonantes o cambiarán la velocidad a la que circulan. Esos pequeños cambios son suficientes para deshacer los parámetros finamente ajustados en un chip y volver el diseño inútil para la producción en masa.

Uno de los autores comparó el problema con la probabilidad de avistar un eclipse solar. 'Si realmente deseas ver el eclipse, eso significa que si miras hacia arriba en el cielo, la luna debe superponerse al sol,' dice Lida Xu, coautora principal y estudiante de posgrado en física en JQI. Obtener efectos no lineales confiables de los chips fotónicos requiere un tipo de encuentro casual similar.

Pequeñas desalineaciones en las condiciones de coincidencia de fase y frecuencia pueden superarse con compensación activa que ajusta las propiedades de un resonador. Pero eso implica incorporar pequeños calentadores integrados—una solución que tanto complica el diseño como requiere una fuente de alimentación separada.

En el nuevo trabajo, Xu, Mehrabad y sus colegas descubrieron que el grupo de resonadores utilizado en trabajos anteriores ya aumenta las posibilidades de satisfacer las condiciones de coincidencia de fase y frecuencia de una manera pasiva—es decir, sin el uso de ninguna compensación activa o numerosas rondas de diseño. En lugar de intentar ingeniar las frecuencias precisas que querían crear e iterar el diseño del chip con la esperanza de obtener uno que funcionara, dieron un paso atrás y consideraron si el grupo de resonadores producía efectos no lineales estables en todos los chips. Al verificarlo, se sorprendieron gratamente al descubrir que sus chips generarían segundo, tercer e incluso cuarto armónico para la luz entrante con una frecuencia de aproximadamente 190 THz—una frecuencia estándar utilizada en telecomunicaciones y comunicación de fibra óptica.

A medida que profundizaban en los detalles, se dieron cuenta de que la razón por la que todas sus fichas funcionaban estaba relacionada con la estructura de su conjunto de resonadores. La luz circulaba rápidamente alrededor de los pequeños anillos en el conjunto, lo que establecía una escala de tiempo rápida. Pero también había un 'super-anel' formado por todos los anillos más pequeños, y la luz circulaba alrededor de él más lentamente. Tener estas dos escalas de tiempo en el chip tenía un efecto importante en las condiciones de coincidencia de fase-frecuencia que no habían apreciado antes. En lugar de depender de un diseño meticuloso y compensación activa para lograr una condición específica de coincidencia de fase-frecuencia, las dos escalas de tiempo proporcionan a los investigadores múltiples oportunidades para fomentar las interacciones necesarias. Es decir, las dos escalas de tiempo esencialmente proporcionan la coincidencia de fase-frecuencia de forma gratuita.

Los investigadores probaron seis fichas diferentes fabricadas en la misma oblea enviando luz láser con la frecuencia estándar de 190 THz, imaginando una ficha desde arriba y analizando las frecuencias que salían de un puerto de salida. Encontraron que cada chip estaba generando efectivamente la segunda, tercera y cuarta armónicas, que para su láser de entrada resultaron ser luz roja, verde y azul. También probaron tres dispositivos de anillo único. Incluso con la inclusión de calentadores integrados para proporcionar compensación activa, solo vieron la generación de la segunda armónica de uno de los dispositivos en un rango estrecho de temperatura del calentador y frecuencia de entrada. En contraste, los conjuntos de resonadores de dos escalas de tiempo no tenían compensación activa y funcionaban en un rango relativamente amplio de frecuencias de entrada. Los investigadores incluso demostraron que al aumentar la intensidad de la luz de entrada, los chips comenzaron a producir más frecuencias alrededor de cada una de las armónicas, recordando al peine de frecuencia anidado creado en un resultado anterior.

Los autores dicen que su marco podría tener amplias implicaciones para áreas en las que la fotónica integrada ya se está utilizando, especialmente en metrología, conversión de frecuencia y computación óptica no lineal. Y todo esto se puede lograr sin la molestia de ajustes activos o ingeniería precisa para cumplir con las condiciones de coincidencia de fase-frecuencia.

'Hemos relajado simultáneamente estos problemas de alineación en gran medida, y también de manera pasiva,' dice Mehrabad. 'No necesitamos calentadores; no tenemos calentadores. Simplemente funcionan. Aborda un problema que ha persistido durante mucho tiempo.'

Además de Mehrabad, Hafezi, Srinivasan (quien también es Miembro del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología), Chembo y Xu, el documento tuvo varios otros autores: Gregory Moille, un científico investigador asociado en JQI; Christopher Flower, un ex estudiante de posgrado en JQI que ahora es investigador en el Laboratorio de Investigación Naval; Supratik Sarkar, un estudiante de posgrado en física en JQI; Apurva Padhye, un estudiante de posgrado en física en JQI; Shao-Chien Ou, un estudiante de posgrado en física en JQI; Daniel Suarez-Forero, un ex investigador posdoctoral de JQI que ahora es profesor asistente de física en la Universidad de Maryland, Baltimore County; y Mahdi Ghafariasl, un investigador posdoctoral en JQI.

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

Información del diario: Ciencia

Proporcionado por Instituto Cuántico Conjunto