Nieuwe fotonische chips zetten laserlicht passief om in meerdere kleuren op verzoek

16 november 2025

door Chris Cesare, Joint Quantum Institute

bewerkt door Andrew Zinin

hoofdredacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en het beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud hebben gewaarborgd:

gecontroleerd op feiten

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

nagekeken op spelfouten

De afgelopen decennia hebben onderzoekers snelle vorderingen gemaakt bij het benutten van licht om allerlei wetenschappelijke en industriële toepassingen mogelijk te maken. Van het creëren van zeer nauwkeurige klokken tot het verwerken van petabytes aan informatie die door datacenters snelt, de vraag naar gebruiksklare technologieën die betrouwbaar licht kunnen genereren en manipuleren is een wereldwijde markt geworden die honderden miljarden dollar waard is.

Één van de uitdagingen waar wetenschappers voor staan, is het maken van een compacte lichtbron die op een chip past, waardoor het veel gemakkelijker wordt om te integreren met bestaande hardware. Onderzoekers hebben in het bijzonder lang geprobeerd om chips te ontwerpen die één kleur laserlicht kunnen omzetten in een regenboog van extra kleuren - een noodzakelijk ingrediënt voor bepaalde soorten quantumcomputers en het nauwkeurig meten van frequentie of tijd.

De onderzoekers bij JQI hebben nu nieuwe chips ontworpen en getest die betrouwbaar één kleur licht omzetten in een trio van tinten. Opmerkelijk is dat de chips allemaal werken zonder enige actieve invoer of moeizame optimalisatie - een grote verbetering ten opzichte van eerdere methoden. Het team beschreef hun resultaten in het tijdschrift Science op 6 november 2025.

De nieuwe chips zijn voorbeelden van fotonische apparaten, die individuele fotonen kunnen bundelen, de quantumdeeltjes van licht. Fotonische apparaten splitsen, routeren, versterken en interfereren met stromen van fotonen, net zoals elektronische apparaten de stroom van elektronen manipuleren.

'Eén van de belangrijkste obstakels bij het gebruik van geïntegreerde fotonica als een lichtbron op een chip is het gebrek aan veelzijdigheid en reproduceerbaarheid,' zegt JQI Fellow Mohammad Hafezi, die ook Minta Martin hoogleraar elektrotechniek en informatica en hoogleraar natuurkunde is aan de Universiteit van Maryland. 'Ons team heeft een significante stap gezet om deze beperkingen te overwinnen.'

De nieuwe fotonische apparaten zijn meer dan simpele prisma's. Een prisma splitst veelkleurig licht op in zijn componentkleuren, of frequenties, terwijl deze chips geheel nieuwe kleuren toevoegen die niet aanwezig zijn in het binnenkomende licht. Het vermogen om nieuwe frequenties van licht rechtstreeks op een chip te genereren bespaart de ruimte en energie die normaal gesproken zouden worden ingenomen door extra lasers. En misschien nog belangrijker, in veel gevallen bestaan lasers die schijnen op de nieuw gegenereerde frequenties niet eens.

Het vermogen om nieuwe frequenties van licht op een chip te genereren vereist speciale interacties die onderzoekers al tientallen jaren leren te ontwerpen. Gewoonlijk zijn de interacties tussen licht en een fotonisch apparaat lineair, wat betekent dat het licht gebogen of geabsorbeerd kan worden, maar de frequentie niet zal veranderen (zoals bij een prisma). In tegenstelling daarmee treden niet-lineaire interacties op wanneer het licht zo intens geconcentreerd is dat het het gedrag van het apparaat verandert, wat op zijn beurt het licht verandert. Dit feedbackmechanisme kan een schat aan verschillende frequenties genereren, die kunnen worden verzameld van de uitvoer van de chip en gebruikt kunnen worden voor metingen, synchronisatie of een verscheidenheid aan andere taken.

Helaas zijn niet-lineaire interacties meestal erg zwak. Een van de eerste waarnemingen van een niet-lineair optisch proces werd gerapporteerd in 1961, en het was zo zwak dat iemand die betrokken was bij het publicatieproces de belangrijkste gegevens per ongeluk aanzag voor een vlek en deze uit de hoofdfoto in het artikel verwijderde. Die vlek was het subtiele kenmerk van tweede harmonische generatie, waarbij twee fotonen met een lagere frequentie worden omgezet in één foton met twee keer de frequentie. Gerelateerde processen kunnen de frequentie van het binnenkomende licht verdrievoudigen, verviervoudigen, enzovoort.

Sinds die eerste observatie van tweede harmonische generatie hebben wetenschappers manieren ontdekt om de sterkte van niet-lineaire interacties in fotonische apparaten te versterken. In de oorspronkelijke demonstratie was de stand van de techniek om eenvoudigweg een laser te richten op een stuk kwarts, gebruikmakend van de natuurlijke elektrische eigenschappen van het kristal. Tegenwoordig vertrouwen onderzoekers op zorgvuldig ontworpen chips die zijn afgestemd met fotonische resonatoren. De resonatoren leiden het licht in strakke cycli, waardoor het honderdduizenden of miljoenen keren kan circuleren voordat het wordt vrijgegeven. Elke enkele reis door een resonator voegt een zwakke niet-lineaire interactie toe, maar vele reizen combineren tot een veel sterker effect. Toch zijn er nog steeds compromissen bij het proberen om een bepaalde reeks nieuwe frequenties te produceren met behulp van een enkele resonator.

Ontdek het laatste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die er toe doen - dagelijks of wekelijks.

'Als je tegelijkertijd tweede harmonische generatie, derde harmonische generatie, vierde harmonische wilt hebben, wordt het steeds moeilijker,' zegt Mahmoud Jalali Mehrabad, de hoofdauteur van het artikel en voormalig postdoctoraal onderzoeker bij JQI die nu onderzoeker is aan het MIT. 'Je compenseert meestal, of je opoffert er een om goede derde harmonische generatie te krijgen maar kunt geen tweede harmonische generatie krijgen, of andersom.'

Als poging om een aantal van deze compromissen te vermijden, hebben Hafezi en JQI Fellow Kartik Srinivasan, samen met Professor Elektrotechniek en Computertechniek Yanne Chembo aan de Universiteit van Maryland (UMD), eerder manieren bedacht om niet-lineaire effecten te versterken door gebruik te maken van een hoeveelheid kleine resonatoren die allemaal samenwerken. Ze toonden eerder aan hoe een chip met honderden microscopische ringen gerangschikt in een reeks resonatoren niet-lineaire effecten kan versterken en licht langs de rand kan leiden. Vorig jaar toonden ze aan dat een chip geprofileerd met een dergelijk raster een gepulste laser kon veranderen in een genestelde frequentie kam-licht met vele gelijkmatig verdeelde frequenties dat gebruikt wordt voor allerlei hoogwaardige metingen. Echter, het duurde vele iteraties om chips te ontwerpen met de juiste vorm om de precieze frequentiekam te genereren waar ze naar op zoek waren, en slechts enkele van hun chips werkten daadwerkelijk.

Het feit dat slechts een fractie van de chips werkte, is indicatief voor de gekmakende trial-and-error aard van werken met niet-lineaire apparaten. Het ontwerpen van een fotonische chip vereist het balanceren van verschillende zaken om een effect als frequentie verdubbeling te genereren. Ten eerste, om de frequentie van licht te verdubbelen, moet een niet-lineaire resonator zowel de oorspronkelijke frequentie als de verdubbelde frequentie ondersteunen. Net zoals een getokkelde gitaarsnaar slechts zoemen met bepaalde tonen, herbergt een optische resonator alleen fotonen met bepaalde frequenties, bepaald door zijn grootte en vorm. Maar zodra je een resonator ontwerpt met die vergrendelde frequenties, moet je er ook voor zorgen dat ze rond de resonator circuleren met dezelfde snelheid. Als dat niet het geval is, zullen ze uit de pas lopen met elkaar en zal de efficiëntie van de conversie lijden.

Gemeenschappelijk worden deze vereisten aangeduid als de frequentie-fase matchende voorwaarden. Om een bruikbaar apparaat te produceren, moeten onderzoekers tegelijkertijd zorgen dat beide voorwaarden overeenkomen. Helaas, kleine nanometer-grote verschillen van chip tot chip - waar zelfs de beste chipleveranciers ter wereld niet omheen kunnen - zullen de resonante frequenties een klein beetje verschuiven of de snelheid waarmee ze circuleren veranderen. Die kleine veranderingen zijn genoeg om de nauwkeurig afgestemde parameters in een chip weg te werken en het ontwerp nutteloos te maken voor massaproductie.

Een van de auteurs vergeleek het dilemma met de kans om een zonsverduistering te zien. 'Als je de eclips eigenlijk wilt zien, betekent dat dat als je omhoog kijkt in de lucht, de maan moet overlappen met de zon,' zegt Lida Xu, een co-lead auteur en promovendus in de natuurkunde bij JQI. Betrouwbare niet-lineaire effecten uit fotonische chips verkrijgen vereist een vergelijkbare soort toevallige ontmoeting.

Kleine misalignementen in de frequentie-fase matchende voorwaarden kunnen worden overwonnen met actieve compensatie die de materiaaleigenschappen van een resonator aanpast. Maar dat omvat het bouwen van kleine ingebouwde verwarmers - een oplossing die het ontwerp bemoeilijkt en een aparte voeding vereist.

In het nieuwe onderzoek ontdekten Xu, Mehrabad en hun collega's dat het arsenaal van resonatoren dat in vorig werk werd gebruikt, al de kans vergrootte om de frequentie-fase matchende voorwaarden op een passieve manier te voldoen - dat wil zeggen, zonder het gebruik van enige actieve compensatie of talrijke ontwerprondes. In plaats van te proberen de precieze frequenties te ontwerpen die ze wilden creëren en het ontwerp van de chip te herhalen in de hoop er een te krijgen die werkte, stapten ze terug en overwogen ze of het arsenaal van resonatoren stabiele niet-lineaire effecten opwekte over alle chips. Toen ze dit controleerden, waren ze aangenaam verrast om te ontdekken dat hun chips tweede, derde en zelfs vierde harmonischen zouden genereren voor binnenkomend licht met een frequentie van ongeveer 190 THz - een standaard frequentie die gebruikt wordt in telecommunicatie en glasvezelcommunicatie.

Toen ze zich verdiepten in de details, realiseerden ze zich dat de reden dat al hun chips werkten te maken had met de structuur van hun resonatorarray. Licht circuleerde snel rond de kleine ringen in de array, wat een snelle tijdschaal creëerde. Maar er was ook een 'super-ring' gevormd door alle kleinere ringen, waar het licht langzamer omheen circuleerde. Het hebben van deze twee tijdschalen in de chip had een belangrijk effect op de frequentie-fase matchingsvoorwaarden die ze eerder niet hadden gewaardeerd. In plaats van afhankelijk te moeten zijn van nauwgezet ontwerp en actieve compensatie om te zorgen voor een bepaalde frequentie-fase matchingsvoorwaarde, bieden de twee tijdschalen onderzoekers meerdere kansen om de noodzakelijke interacties te bevorderen. Met andere woorden, de twee tijdschalen bieden in feite de frequentie-fase matching gratis.

De onderzoekers testten zes verschillende chips die op dezelfde wafer waren vervaardigd door laserlicht met de standaard frequentie van 190 THz naar binnen te sturen, een chip van bovenaf te bekijken en de frequenties die een uitgangspoort verlieten te analyseren. Ze ontdekten dat elke chip inderdaad de tweede, derde en vierde harmonischen genereerde, wat voor hun ingangslaser toevallig rood, groen en blauw licht waren. Ze testten ook drie single-ring apparaten. Zelfs met de insluiting van ingebouwde verwarmers voor actieve compensatie, zagen ze alleen tweede harmonische generatie bij één apparaat over een nauw bereik van verwarmingstemperatuur en invoerfrequentie. Daarentegen hadden de resonatorarrays met twee tijdschalen geen actieve compensatie nodig en werkten ze over een relatief breed bereik van invoerfrequenties. De onderzoekers toonden zelfs aan dat naarmate ze de intensiteit van hun ingangslicht verhoogden, de chips meer frequenties begonnen te produceren rond elk van de harmonischen, wat doet denken aan de geneste frequentiecomb die in een eerder resultaat werd gecreëerd.

De auteurs zeggen dat hun raamwerk brede implicaties zou kunnen hebben voor gebieden waarin geïntegreerde fotonica al wordt gebruikt, met name in metrologie, frequentieconversie en niet-lineaire optische computing. En dit alles zonder de moeite van actieve afstemming of precieze engineering om te voldoen aan de frequentie-fase matchingsvoorwaarden.

'We hebben deze afstemmingsproblemen tegelijkertijd in grote mate verlicht, en ook op passieve wijze,' zegt Mehrabad. 'We hebben geen verwarmers nodig; we hebben geen verwarmers. Ze werken gewoon. Het lost een langdurig probleem op.'

Naast Mehrabad, Hafezi, Srinivasan (die ook Fellow is van het National Institute of Standards and Technology), Chembo en Xu, had het artikel nog enkele andere auteurs: Gregory Moille, een onderzoeker bij JQI; Christopher Flower, een voormalig promovendus bij JQI die nu onderzoeker is bij het Naval Research Laboratory; Supratik Sarkar, een promovendus in de natuurkunde bij JQI; Apurva Padhye, een promovendus in de natuurkunde bij JQI; Shao-Chien Ou, een promovendus in de natuurkunde bij JQI; Daniel Suarez-Forero, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij JQI die nu assistent-professor natuurkunde is aan de Universiteit van Maryland, Baltimore County; en Mahdi Ghafariasl, een postdoctoraal onderzoeker bij JQI.

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

Tijdschriftinformatie: Science

Geleverd door Joint Quantum Institute