Nuovi chip fotonici convertire passivamente la luce laser in diversi colori su richiesta.

16 novembre 2025

di Chris Cesare, Joint Quantum Institute

editato da Andrew Zinin

redattore capo

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Nel corso degli ultimi decenni, i ricercatori hanno fatto rapidi progressi nel sfruttare la luce per consentire ogni tipo di applicazioni scientifiche e industriali. Dalla creazione di orologi estremamente precisi alla gestione dei petabyte di informazioni che scorrono attraverso i data center, la domanda di tecnologie chiavi in mano in grado di generare e manipolare la luce in modo affidabile è diventata un mercato globale del valore di centinaia di miliardi di dollari.

Una sfida che ha ostacolato gli scienziati è la creazione di una fonte compatta di luce che si adatti a un chip, il che rende molto più facile l'integrazione con l'hardware esistente. In particolare, i ricercatori hanno da tempo cercato di progettare chip capaci di convertire un colore di luce laser in un arcobaleno di colori aggiuntivi, un ingrediente necessario per la costruzione di determinati tipi di computer quantistici e per effettuare misurazioni di frequenza o tempo di precisione.

Ora, i ricercatori del JQI hanno progettato e testato nuovi chip che convertono in modo affidabile un colore di luce in una triade di tonalità. Sorprendentemente, tutti i chip funzionano senza richiedere input attivi o ottimizzazione approfondita, un notevole miglioramento rispetto ai metodi precedenti. Il team ha descritto i loro risultati sulla rivista Science il 6 novembre 2025.

I nuovi chip sono esempi di dispositivi fotonici, in grado di radunare singoli fotoni, le particelle quantistiche della luce. I dispositivi fotonici suddividono, dirigono, amplificano e interagiscono con flussi di fotoni, proprio come i dispositivi elettronici manipolano il flusso di elettroni.

'Uno degli ostacoli principali nell'utilizzare la fotonica integrata come fonte di luce su un chip è la mancanza di versatilità e riproducibilità,' afferma il Fellow di JQI Mohammad Hafezi, che è anche professore Minta Martin di ingegneria elettrica e informatica e professore di fisica all'Università del Maryland. 'Il nostro team ha compiuto un passo significativo nel superare questi limiti.'

I nuovi dispositivi fotonici sono più di semplici prismi. Un prisma suddivide la luce multicolore nei suoi colori o frequenze componenti, mentre questi chip aggiungono interamente nuovi colori non presenti nella luce in ingresso. Essere in grado di generare nuove frequenze di luce direttamente su un chip risparmia lo spazio e l'energia che normalmente sarebbero occupati da laser aggiuntivi. E forse ancora più importante, in molti casi i laser che emettono alle frequenze appena generate non esistono nemmeno.

La capacità di generare nuove frequenze di luce su un chip richiede interazioni speciali che i ricercatori hanno imparato a ingegnerizzare per decenni. Di solito, le interazioni tra la luce e un dispositivo fotonico sono lineari, il che significa che la luce può essere piegata o assorbita ma la sua frequenza non cambierà (come in un prisma). Al contrario, le interazioni non lineari si verificano quando la luce è così concentrata da modificare il comportamento del dispositivo, che a sua volta modifica la luce. Questo feedback può generare una varietà di diverse frequenze, che possono essere raccolte dall'uscita del chip e utilizzate per misurazioni, sincronizzazioni o una varietà di altre attività.

Purtroppo, le interazioni non lineari sono di solito molto deboli. Una delle prime osservazioni di un processo ottico non lineare è stata riportata nel 1961, ed era così debole che qualcuno coinvolto nel processo di pubblicazione ha scambiato i dati chiave per una macchia e li ha rimossi dalla figura principale nel documento. Quella macchia era la sottile firma della generazione del secondo armonico, in cui due fotoni a una frequenza inferiore vengono convertiti in un fotone con il doppio della frequenza. Processi correlati possono triplicare la frequenza della luce in ingresso, quadruplicarla e così via.

Dal momento di quella prima osservazione della generazione del secondo armonico, gli scienziati hanno scoperto modi per aumentare la forza delle interazioni non lineari nei dispositivi fotonici. Nella dimostrazione originale, lo stato dell'arte era semplicemente illuminare un laser su un pezzo di quarzo, approfittando delle proprietà elettriche naturali del cristallo. Oggi i ricercatori si affidano a chip meticolosamente progettati e realizzati con risonatori fotonici. I risonatori guidano la luce in cicli stretti, permettendole di circolare centinaia di migliaia o milioni di volte prima di essere rilasciata. Ogni singolo passaggio attraverso un risonatore aggiunge una debole interazione non lineare, ma molti passaggi combinati producono un effetto molto più forte. Tuttavia, ci sono ancora compromessi quando si cercano di produrre un particolare insieme di nuove frequenze utilizzando un singolo risonatore.

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'Se vuoi avere contemporaneamente generazione del secondo armonico, generazione del terzo armonico, generazione del quarto armonico, diventa sempre più difficile,' dice Mahmoud Jalali Mehrabad, il primo autore del paper e ex ricercatore post-dottorato presso JQI che attualmente è un ricercatore presso il MIT. 'Di solito compensi, o sacrifici uno di essi per ottenere una buona generazione del terzo armonico ma non puoi ottenere la generazione del secondo armonico, o viceversa.'

Nel tentativo di evitare alcuni di questi compromessi, Hafezi e il Fellow di JQI Kartik Srinivasan, insieme al Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica Yanne Chembo presso l'Università del Maryland (UMD), hanno precedentemente sperimentato modi per potenziare gli effetti non lineari utilizzando un'orda di piccoli risonatori che lavorano tutti insieme. Hanno mostrato in precedenti lavori come un chip con centinaia di anelli microscopici disposti in un'array di risonatori può amplificare gli effetti non lineari e dirigere la luce attorno al suo bordo. L'anno scorso, hanno dimostrato che un chip modellato con una tale griglia poteva trasmutare un laser pulsato in un pettine di frequenza nidificato - luce con molte frequenze equispaziate utilizzata per tutte le misurazioni ad alta precisione. Tuttavia, ci sono volute molte iterazioni per progettare chip con la forma corretta per generare il preciso pettine di frequenza desiderato, e solo alcuni dei loro chip hanno funzionato effettivamente.

Il fatto che solo una frazione dei chip abbia funzionato è indicativo della frustrante natura di prova e errore nel lavoro con dispositivi non lineari. Progettare un chip fotonic necessita di bilanciare diverse cose al fine di generare un effetto come il raddoppio di frequenza. Innanzitutto, per raddoppiare la frequenza della luce, un risonatore non lineare deve supportare sia la frequenza originale che quella raddoppiata. Proprio come una corda di chitarra pizzicata suonerà solo con determinati toni, un risonatore ottico ospita solo fotoni con determinate frequenze, determinate dalla sua dimensione e forma. Ma una volta progettato un risonatore con quelle frequenza bloccate, è necessario anche assicurarsi che circolino attorno al risonatore alla stessa velocità. In caso contrario, andranno fuori sincronia tra loro e l'efficienza della conversione ne risentirà.

Insieme, questi requisiti sono noti come condizioni di corrispondenza di fase di frequenza. Per produrre un dispositivo utile, i ricercatori devono simultaneamente garantire che entrambi i requisiti corrispondano. Purtroppo, le minime misure nanometriche da chip a chip - che nemmeno i migliori produttori di chip al mondo riescono ad evitare - sposteranno leggermente le frequenze risonanti o cambieranno la velocità a cui circolano. Questi piccoli cambiamenti sono sufficienti a cancellare i parametri finemente sintonizzati in un chip e rendere il design inutile per la produzione di massa.

Uno degli autori ha paragonato l'impasse alla probabilità di avvistare un'eclissi solare. 'Se vuoi realmente vedere l'eclissi, significa che se guardi in cielo la luna deve sovrapporsi al sole,' dice Lida Xu, co-primo autore e studentessa laureanda in fisica presso JQI. Ottenere effetti non lineari affidabili da chip fotonic richiede un simile tipo di incontro fortuito.

Le piccole disallineamenti nelle condizioni di corrispondenza di fase di frequenza possono essere superate con una compensazione attiva che regola le proprietà del materiale di un risonatore. Ma ciò comporta la realizzazione di piccoli riscaldatori incorporati - una soluzione che complica il design e richiede una fonte di alimentazione separata.

Nel nuovo lavoro, Xu, Mehrabad e i loro colleghi hanno scoperto che l'array di risonatori utilizzato nei lavori precedenti aumenta già le probabilità di soddisfare passivamente le condizioni di corrispondenza di fase di frequenza - cioè, senza l'uso di alcuna compensazione attiva o numerosi cicli di progettazione. Invece di cercare di progettare le precise frequenze che volevano creare ed iterare il design del chip nella speranza di ottenere uno che funzionasse, si sono fermati e hanno considerato se l'array di risonatori producesse effetti non lineari stabili su tutti i chip. Quando hanno controllato, sono stati piacevolmente sorpresi di scoprire che i loro chip generavano secondi, terzi e persino quarti armonici per la luce in ingresso con una frequenza di circa 190 THz - una frequenza standard utilizzata nelle telecomunicazioni e nelle comunicazioni via fibra ottica.

Man mano che approfondivano nei dettagli, si resero conto che il motivo per cui tutti i loro chip funzionavano era legato alla struttura del loro insieme di resonatori. La luce circolava velocemente attorno ai piccoli anelli nell'insieme, che impostava una scala temporale veloce. Ma c'era anche un 'super-anello' formato da tutti gli anelli più piccoli, e la luce ci circolava attorno più lentamente. Avere queste due scale temporali nel chip aveva un effetto importante sulle condizioni di corrispondenza tra frequenza e fase che non avevano apprezzato prima. Invece di dover fare affidamento su un design meticoloso e una compensazione attiva per ottenere una particolare condizione di corrispondenza tra frequenza e fase, le due scale temporali forniscono ai ricercatori più possibilità di favorire le interazioni necessarie. In altre parole, le due scale temporali forniscono essenzialmente la corrispondenza tra frequenza e fase gratuitamente.

I ricercatori hanno testato sei diversi chip prodotti sulla stessa wafer inviando della luce laser con la frequenza standard di 190 THz, immaginando un chip dall'alto e analizzando le frequenze che lasciavano una porta di uscita. Hanno scoperto che ogni chip stava effettivamente generando la seconda, terza e quarta armonica, che per il loro laser di ingresso corrispondevano alla luce rossa, verde e blu. Hanno anche testato tre dispositivi ad anello singolo. Anche con l'inclusione di riscaldatori integrati per fornire una compensazione attiva, hanno visto solo la generazione della seconda armonica da un dispositivo su una stretta gamma di temperatura del riscaldatore e frequenza di ingresso. Al contrario, gli insiemi di resonatori a due scale temporali non avevano compensazione attiva e funzionavano su un'ampia gamma di frequenze di ingresso. I ricercatori hanno persino dimostrato che aumentando l'intensità della luce di ingresso, i chip hanno iniziato a produrre più frequenze attorno a ciascuna delle armoniche, ricordando il pettine di frequenza annidata creato in un risultato precedente.

Gli autori affermano che il loro quadro potrebbe avere ampie implicazioni per ambiti in cui la fotonica integrata sta già venendo utilizzata, specialmente in metrologia, conversione di frequenza e calcolo ottico non lineare. E può farlo senza il fastidio di una taratura attiva o di un'ingegneria precisa per soddisfare le condizioni di corrispondenza tra frequenza e fase.

'Abbiamo contemporaneamente ridotto notevolmente questi problemi di allineamento, e in modo passivo,' dice Mehrabad. 'Non abbiamo bisogno di riscaldatori; non ne abbiamo. Funzionano semplicemente. Affronta un problema di lunga data.'

Oltre a Mehrabad, Hafezi, Srinivasan (che è anche Socio dell'Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia), Chembo e Xu, l'articolo aveva diversi altri autori: Gregory Moille, un ricercatore associato presso JQI; Christopher Flower, un ex studente di dottorato presso JQI ora ricercatore presso il Naval Research Laboratory; Supratik Sarkar, studente di dottorato in fisica presso JQI; Apurva Padhye, studente di dottorato in fisica presso JQI; Shao-Chien Ou, studente di dottorato in fisica presso JQI; Daniel Suarez-Forero, un ex ricercatore post-dottorato presso JQI che ora è professore assistente di fisica presso l'Università del Maryland, Baltimore County; e Mahdi Ghafariasl, un ricercatore post-dottorato presso JQI.

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

Informazioni sulla rivista: Science

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