Nowe światłowodowe układy scalone pasywnie przekształcają światło laserowe na żądanie w wiele kolorów

1Listopada 2025

przez Chrisa Cesare, Joint Quantum Institute

edytowane przez                                                         Andrew Zinin

główny redaktor

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X.                                                  Editors podkreślili                                                  następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

sprawdzone faktycznie

publikacja z recenzją przez rówieśników

zaufane źródło

będzie korektowane

Przez ostatnie kilkadziesiąt lat naukowcy dokonali szybkich postępów w wykorzystywaniu światła do umożliwienia różnego rodzaju zastosowań naukowych i przemysłowych. Od tworzenia niezwykle dokładnych zegarów po przetwarzanie petabajtów informacji przelatujących przez centra danych, popyt na technologie gotowe do generowania i manipulowania światłem stał się globalnym rynkiem wartym setek miliardów dolarów.

Jednym z wyzwań, których naukowcy nie mogą pokonać, jest stworzenie kompaktowego źródła światła, które zmieści się na chipie, co znacznie ułatwia integrację z istniejącym sprzętem. W szczególności badacze od dawna starali się zaprojektować chipy, które mogą przekształcać jeden kolor światła laserowego w tęczę dodatkowych kolorów – niezbędny składnik do budowy pewnych rodzajów komputerów kwantowych i dokonywania precyzyjnych pomiarów częstotliwości lub czasu.

Teraz badacze z JQI zaprojektowali i przetestowali nowe chipy, które niezawodnie przekształcają jeden kolor światła w trio barw. Niesamowite jest to, że chipy działają bez żadnych aktywnych wejść ani mozolnej optymalizacji – co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z poprzednimi metodami. Zespół opisał swoje wyniki w czasopiśmie Science, 6 listopada 2025 roku.

Nowe chipy są przykładami urządzeń fotonowych, które mogą skupiać pojedyncze fotony, kwantowe cząstki światła. Urządzenia fotonowe dzielą, kierują, wzmacniają i interferują strumienie fotonów, podobnie jak urządzenia elektroniczne manipulują przepływem elektronów.

„Jedną z głównych przeszkód w użyciu fotonicznych urządzeń zintegrowanych jako źródła światła w chipie jest brak wszechstronności i reprodukowalności” – mówi JQI Fellow Mohammad Hafezi, który jest także profesorem elektrotechniki i inżynierii komputerowej oraz profesorem fizyki na University of Maryland. „Nasz zespół zrobił znaczący krok naprzód w pokonywaniu tych ograniczeń”.

Nowe urządzenia fotonowe to nie tylko pryzmaty. Pryzmaty dzielą wielobarwne światło na jego składowe kolory lub częstotliwości, podczas gdy te chipy dodają zupełnie nowe kolory, które nie są obecne w wpływającym świetle. Możliwość generowania nowych częstotliwości światła bezpośrednio na chipie oszczędza miejsce i energię, które normalnie zostałoby zużyte przez dodatkowe lasery. A co ważniejsze, w wielu przypadkach lasery świecące na nowo wygenerowanych częstotliwościach po prostu nie istnieją.

Zdolność do generowania nowych częstotliwości światła na chipie wymaga specjalnych interakcji, których naukowcy uczą się inżynierować od dziesięcioleci. Zazwyczaj interakcje między światłem a urządzeniem fotonowym są liniowe, co oznacza, że światło może być zakrzywione lub pochłonięte, ale jego częstotliwość się nie zmieni (jak w przypadku pryzmatu). Z kolei interakcje nieliniowe występują, gdy światło jest skoncentrowane na tyle intensywnie, że zmienia zachowanie urządzenia, co z kolei zmienia światło. Ten sprzężony efekt może generować całą gamę różnych częstotliwości, które mogą być pobierane z wyjścia chipa i używane do pomiaru, synchronizacji lub różnorodnych innych zadań.

Niestety, interakcje nieliniowe są zazwyczaj bardzo słabe. Jednym z pierwszych obserwacji procesów optycznych nieliniowych, której dokonano w 1961 roku, była tak słaba, że osoba zaangażowana w proces publikacji uznała kluczowe dane za plamkę i usunęła je z głównego rysunku w artykule. Ta plamka była subtelnie widocznym śladem generacji drugiej harmonicznej, w której dwa fotony o niższej częstotliwości są konwertowane na jednego fotona o podwójnej częstotliwości. Związane z tymi procesami mogą podwoić częstotliwość wpadającego światła, potroić ją, a nawet wyższą.

Od tamtej pierwszej obserwacji generacji drugiej harmonicznej naukowcy odkryli sposoby zwiększania siły interakcji nieliniowych w urządzeniach fotonowych. W pierwotnej demonstracji stan sztuki polegał na po prostu skierowaniu lasera na kawałek kwarcu, korzystając z naturalnych właściwości elektrycznych kryształu. W dzisiejszych czasach badacze polegają na starannie zaprojektowanych chipach dostosowanych z rezonatorami fotonowymi. Rezonatory prowadzą światło w ciasnych cyklach, pozwalając mu krążyć setki tysięcy lub miliony razy, zanim zostanie uwolnione. Każda pojedyncza podróż przez rezonator dodaje słabe oddziaływania nieliniowe, ale wiele podróży łączy się w znacznie silniejszy efekt. Jednak są nadal wymierne kompromisy przy próbie wytworzenia konkretnej serii nowych częstotliwości za pomocą pojedynczego rezonatora.

Odkrywaj najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nauki, technologii i kosmosu wraz z ponad 100 000 subskrybentami, którzy polegają na Phys.org dla codziennych spostrzeżeń. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje dotyczące przełomów, innowacji i badań, które mają znaczenie – codziennie lub tygodniowo.

'Jeśli chcesz jednocześnie uzyskać generację drugiej harmonicznej, trzecią harmoniczną, czwartą harmoniczną - staje się coraz trudniej,' mówi Mahmoud Jalali Mehrabad, główny autor artykułu i były badacz posdoktorancki w JQI, obecnie naukowiec badawczy na MIT. 'Zazwyczaj musisz dokonać kompromisu, lub poświęcić jedną z nich, aby uzyskać dobrą trzecią harmoniczną, ale nie możesz uzyskać generacji drugiej harmonicznej, lub na odwrót.'

W celu uniknięcia pewnych kompromisów, Hafezi i Fellow JQI Kartik Srinivasan, wspólnie z profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej Yanne Chembo na Uniwersytecie Marylandu (UMD), wcześniej stworzyli sposoby zwiększania efektów nieliniowych poprzez wykorzystanie wielu drobnych rezonatorów, które współpracują. Pokazali w poprzednich pracach, jak chip z setkami mikroskopijnych pierścieni ułożonych w tablicę rezonatorów może wzmacniać efekty nieliniowe i prowadzić światło wzdłuż swojego krawędzi. W zeszłym roku pokazali, że chip z takim wzorem może przekształcać pulsuje laser w zagnieżdżony grzebień częstotliwości - światło o wielu równo rozmieszczonych częstotliwościach, które służy do różnorodnego pomiarów bardzo wysokiej precyzji. Jednakże, wymagało wiele iteracji, aby zaprojektować odpowiednio kształt chipów, które miały generować pożądany precyzyjny grzebień częstotliwości, i tylko niektóre z chipów naprawdę działały.

Fakt, że tylko część chipów działała, świadczy o frustrującej losowej naturze pracy z urządzeniami nieliniowymi. Projektowanie fotonicznego chipa wymaga zachowania równowagi między kilkoma rzeczami, aby wytworzyć efekt, na przykład podwojenie częstotliwości. Po pierwsze, aby podwoić częstotliwość światła, nieliniowy rezonator musi wspierać zarówno częstotliwość oryginalną, jak i podwojoną. Tak jak struny gitary pobrzmiewają tylko z pewnymi tonami, rezonator optyczny gości tylko fotony z pewnymi częstotliwościami, określonymi przez jego wielkość i kształt. Jednak gdy zaprojektujesz rezonator z tymi zablokowanymi częstotliwościami, musisz również zapewnić, że krążą one wokół rezonatora z tą samą prędkością. Jeśli nie, będą nie zsynchronizowane, a wydajność konwersji ucierpi.

Razem te wymagania są znane jako warunki dopasowania częstotliwość-faza. Aby wytworzyć użyteczne urządzenie, badacze muszą jednocześnie zatroszczyć się o spełnienie obu warunków. Niestety, niewielkie różnice o wielkości nanometrów z chipa na chip—których nawet najlepsi producenci chipów na świecie nie mogą uniknąć—mogą przesunąć częstotliwości rezonansowe trochę lub zmienić prędkość, z jaką one krążą. Te małe zmiany wystarczają, aby zmyć drobiazgowe parametry chipa i sprawić, że projekt jest bezużyteczny dla masowej produkcji.

Jeden z autorów porównał tę trudną sytuację do prawdopodobieństwa zauważenia zaćmienia słońca. 'Jeśli chcesz naprawdę zobaczyć zaćmienie, to oznacza, że gdy spojrzysz w niebo, księżyc musi pokrywać się ze słońcem,' mówi Lida Xu, współautorka i studentka fizyki na JQI. Otrzymanie niezawodnych efektów nieliniowych z chipów fotonicznych wymaga podobnego przypadkowego spotkania.

Niewielkie nieprawidłowości w warunkach dopasowania częstotliwość-faza można przezwyciężyć za pomocą aktywnej kompensacji, która dostosowuje właściwości materiału rezonatora. Jednak jest to rozwiązanie, które zarówno komplikuje projekt, jak i wymaga osobnego źródła zasilania.

W nowej pracy, Xu, Mehrabad i ich koledzy odkryli, że tablica rezonatorów używana w poprzednich pracach już zwiększa szanse na spełnienie warunków dopasowania częstotliwość-faza w sposób pasywny - czyli bez wykorzystywania aktywnej kompensacji lub licznych rund projektowania. Zamiast próbować zaprojektować precyzyjne częstotliwości, które chcieli stworzyć i iterować projekt chipa w nadziei otrzymania działającego, cofnęli się i zastanowili się, czy tablica rezonatorów wywoła jakiekolwiek stabilne efekty nieliniowe na wszystkich chipach. Kiedy sprawdzili, byli miło zaskoczeni, odkrywając, że ich chipy będą generować zarówno drugą, trzecią, jak i czwartą harmonicznych dla światła o częstotliwości około 190 THz—standardowej częstotliwości używanej w telekomunikacji i komunikacji światłowodowej.

W miarę zgłębiania szczegółów zauważyli, że powodem działania wszystkich ich układów scalonych było związane ze strukturą swojego układu rezonatora. Światło szybko krążyło wokół małych pierścieni w tablicy, co ustawiało szybki skalę czasu. Istniał jednak także „super-pierścień” utworzony przez wszystkie mniejsze pierścienie, a światło krążyło wokół niego wolniej. Posiadanie tych dwóch skal czasowych w układzie scalonym miało istotny wpływ na warunki dopasowywania częstotliwości-fazy, których wcześniej nie dostrzegali. Zamiast polegać na starannej konstrukcji i aktywnej kompensacji do zapewnienia określonych warunków dopasowania częstotliwości-fazy, dwie skale czasowe zapewniają badaczom kilka szans na rozwinięcie niezbędnych interakcji. Innymi słowy, dwie skale czasowe w zasadzie zapewniają dopasowanie częstotliwości-fazy za darmo.

Badacze przetestowali sześć różnych układów scalonych wyprodukowanych na tym samym krzemie, wysyłając światło laserowe z standardową częstotliwością 190 THz, obrazując układ z góry i analizując częstotliwości opuszczające port wyjściowy. Odkryli, że każdy układ rzeczywiście generuje drugie, trzecie i czwarte harmoniczne, które dla ich lasera wejściowego przypadkowo były światłem czerwonym, zielonym i niebieskim. Przetestowali również trzy pojedyncze urządzenia o pierścieniach. Nawet z uwzględnieniem osadzonych grzałek do aktywnej kompensacji, zobaczyli tylko generację drugiej harmonicznej z jednego urządzenia w wąskim zasięgu temperatury grzałki i częstotliwości wejścia. W przeciwieństwie do tego, układy rezonatora o dwóch skalach czasowych nie miały aktywnej kompensacji i działały w stosunkowo szerokim zakresie częstotliwości wejściowych. Badacze pokazali nawet, że gdy zwiększyli natężenie światła wejściowego, układy zaczęły generować więcej częstotliwości wokół każdej z harmonicznych, przypominając zagnieżdżony zestaw częstotliwości stworzony we wcześniejszym wyniku.

Autorzy twierdzą, że ich ramy mogą mieć szerokie implikacje dla obszarów, w których już używa się zintegrowanej fotoniki, zwłaszcza w metrologii, konwersji częstotliwości i nieliniowym obliczeniach optycznych. I może to robić wszystko bez kłopotów wynikających z aktywnego dostrojenia czy precyzyjnego projektowania w celu spełnienia warunków dopasowania częstotliwości-fazy.

„Jednocześnie odciążamy te problemy związane z wyrównywaniem w dużym stopniu, a także w sposób pasywny” - mówi Mehrabad. „Nie potrzebujemy grzałek; nie mamy grzałek. Po prostu działają. To adresuje długo istniejący problem”.

Oprócz Mehrabada, Hafeziego, Srinivasana (który jest także członkiem Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii), Chembo i Xu, w artykule było kilku innych autorów: Gregory Moille, pracownik naukowy w JQI; Christopher Flower, były doktorant w JQI, teraz badacz w Laboratorium Badań Morskich; Supratik Sarkar, student doktorancki fizyki w JQI; Apurva Padhye, student doktorancki fizyki w JQI; Shao-Chien Ou, student doktorancki fizyki w JQI; Daniel Suarez-Forero, były stypendysta w JQI, teraz asystent profesora fizyki na University of Maryland, Baltimore County; oraz Mahdi Ghafariasl, stypendysta w JQI.

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

Informacje o czasopiśmie: Science

Dostarczone przez Joint Quantum Institute