Nya fotoniska chips konverterar passivt laserljus till flera färger på begäran

16 november 2025

av Chris Cesare, Joint Quantum Institute

redigerad av Andrew Zinin

ledande redaktör

Den här artikeln har granskats enligt vetenskapliga X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper medan de säkerställt innehållets trovärdighet:

faktagranskad

peer-reviewad publicering

pålitlig källa

korrekturläst

Under de senaste decennierna har forskare gjort snabba framsteg inom att utnyttja ljus för att möjliggöra olika vetenskapliga och industriella tillämpningar. Från att skapa extremt exakta klockor till att bearbeta petabytes av information som strömmar igenom datacenter, har efterfrågan på teknologier som pålitligt kan generera och manipulera ljus blivit en global marknad värd hundratals miljarder dollar.

En utmaning som har hindrat forskare är skapandet av en kompakt ljuskälla som passar på en chip, vilket gör det mycket lättare att integrera med befintlig maskinvara. Forskare har särskilt länge strävat efter att designa chips som kan omvandla en färg av laserljus till en regnbåge av ytterligare färger - en nödvändig ingrediens för att bygga vissa typer av kvantdatorer och göra precisa mätningar av frekvens eller tid.

Nu har forskare vid JQI designat och testat nya chips som pålitligt omvandlar en färg av ljus till en trio av färger. Anmärkningsvärt fungerar chipsen utan några aktiva ingångar eller mödosam optimering - en betydande förbättring jämfört med tidigare metoder. Laget beskrev sina resultat i tidskriften Science den 6 november 2025.

De nya chipsen är exempel på fotoniska enheter, som kan samla in enskilda fotoner, ljusets kvantpartiklar. Fotoniska enheter delar upp, dirigerar, förstärker och interfererar med strömmar av fotoner, på samma sätt som elektroniska enheter manipulerar flödet av elektroner.

”En av de största hindren för att använda integrerad fotonik som en ljuskälla på en chip är bristen på mångsidighet och reproducerbarhet,” säger JQI Fellow Mohammad Hafezi, som också är Minta Martin-professor i elektrisk och datavetenskap och professor i fysik vid University of Maryland. ”Vårt team har tagit ett betydande steg mot att övervinna dessa begränsningar.”

De nya fotoniska enheterna är mer än bara prismor. En prisma delar upp mångfärgat ljus i sina komponentfärger eller frekvenser, medan dessa chips lägger till helt nya färger som inte finns i det inkommande ljuset. Möjligheten att generera nya frekvenser av ljus direkt på en chip sparar utrymme och energi som annars skulle tas upp av ytterligare laser. Och kanske ännu viktigare, i många fall finns inte ens laser som lyser i de nygenererade frekvenserna.

Förmågan att generera nya frekvenser av ljus på en chip kräver speciella interaktioner som forskare har lärt sig att konstruera under årtionden. Vanligtvis är interaktionerna mellan ljus och en fotonisk enhet linjära, vilket innebär att ljuset kan böjas eller absorberas men dess frekvens förändras inte (som i en prisma). Däremot sker icke-linjära interaktioner när ljuset koncentreras så intensivt att det förändrar beteendet hos enheten, vilket i sin tur förändrar ljuset. Denna återkoppling kan generera en mängd olika frekvenser, som kan samlas från chipets utmatning och användas för mätning, synkronisering eller olika andra uppgifter.

Tyvärr är icke-linjära interaktioner vanligtvis mycket svaga. En av de första observationerna av en icke-linjär optisk process rapporterades 1961, och den var så svag att någon involverad i publiceringsprocessen misstog den viktigaste datan för en fläck och tog bort den från huvudfiguren i artikeln. Den fläcken var den subtila signaturen av andra harmoniska generationen, där två fotoner med en lägre frekvens omvandlas till en foton med dubbelt så hög frekvens. Relaterade processer kan trefaldiga frekvensen av inkommande ljus, fyrdubbla den, och så vidare.

Sedan den första observationen av andra harmoniska generationen har forskare upptäckt sätt att öka styrkan hos icke-linjära interaktioner i fotoniska enheter. I den ursprungliga demonstrationen var det state-of-the-art att helt enkelt lyser en laser på en bit kvarts, och utnytjar de naturliga elektriska egenskaperna hos kristallen. Numera förlitar sig forskare på noggrant konstruerade chips som är anpassade med fotoniska resonatorer. Resonatorerna leder ljuset i tät cykler, vilket gör att det cirkulerar hundratusentals eller miljontals gånger innan det släpps ut. Varje enskild resa genom en resonator lägger till en svag icke-linjär interaktion, men många resor kombineras till en mycket starkare effekt. Men det finns fortfarande kompromisser när man försöker producera en särskild uppsättning nya frekvenser med en enda resonator.

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som spelar roll - dagligen eller veckovis. 'Om du vill ha samtidig andra harmoniska generationer, tredje harmoniska generationen, fjärde harmoniska - blir det svårare och svårare,' säger Mahmoud Jalali Mehrabad, huvudförfattaren till artikeln och tidigare postdoktorand vid JQI som nu är forskningsvetare vid MIT. 'Du kompenserar vanligtvis, eller offrar en av dem för att få bra tredje harmonisk generation men kan inte få andra harmoniska generationen, eller vice versa.' I ett försök att undvika vissa av dessa kompromisser har Hafezi och JQI Fellow Kartik Srinivasan, tillsammans med professor i elektroteknik och datorteknik Yanne Chembo vid University of Maryland (UMD), tidigare banat väg för att öka icke-linjära effekter genom att använda en mängd små resonatorer som alla arbetar tillsammans. De visade i tidigare arbete hur en chip med hundratals mikroskopiska ringar ordnade i en matris av resonatorer kan förstärka icke-linjära effekter och styra ljus runt dess kant. Förra året visade de att en chip mönstrad med ett sådant rutnät kunde omvandla en pulsad laserstråle till en infälld frekvenskam - ljus med många jämnt fördelade frekvenser som används för alla typer av högprecision-mätningar. Men det krävdes många iterationer för att utforma chips med rätt form för att generera den exakta frekvenskammen de var ute efter, och bara några av deras chips fungerade faktiskt. Det faktum att endast en del av chipsen fungerade är en indikation på den galna hit-or-miss-naturen när man jobbar med icke-linjära enheter. Att designa en fotonisk chip kräver balansering av flera saker för att generera en effekt som frekvensdubbling. För att dubblera ljusets frekvens måste en icke-linjär resonator stödja både den ursprungliga frekvensen och den dubblerade frekvensen. På samma sätt som en uppritad gitarrsträng bara kommer att vibrera med vissa toner, kommer en optisk resonator bara vara värd för fotoner med vissa frekvenser som bestäms av dess storlek och form. Men när du väl har designat en resonator med dessa låsta frekvenser måste du också se till att de cirkulerar runt resonatorn med samma hastighet. Annars kommer de att bli osynkroniserade med varandra, och effektiviteten i omvandlingen kommer att lida. Tillsammans kallas dessa krav frekvens-fasmatchningsvillkoren. För att producera en användbar enhet måste forskarna samtidigt se till att båda villkoren matchar. Tyvärr kommer små nanometerstora skillnader från chip till chip - som även de bästa chip-tillverkarna i världen inte kan undvika - att skifta resonansfrekvenserna lite eller ändra hastigheten som de cirkulerar. Dessa små förändringar är tillräckligt för att tvätta ut de fint justerade parametrarna i en chip och rendera designen meningslös för massproduktion. En av författarna jämförde dilemma med chansen att upptäcka en solförmörkelse. 'Om du faktiskt vill se förmörkelsen, betyder det att om du tittar upp på himlen måste månen överlappa solen,' säger Lida Xu, en med-huvudförfattare och doktorand i fysik vid JQI. Att få pålitliga icke-linjära effekter ut ur fotoniska chips kräver en liknande sorts tillfälligt möte. Små felinställningar i frekvens-fasmatchningsvillkoren kan övervinnas med aktiv kompensation som justerar material egenskaperna hos en resonator. Men det innebär att bygga in små inbyggda värmare - en lösning som både komplicerar designen och kräver en separat strömförsörjning. I det nya arbetet upptäckte Xu, Mehrabad och deras kollegor att resonatorernas matris som användes i tidigare arbete redan ökar chanserna att tillfredsställa frekvens-fasmatchningsvillkoren på ett passivt sätt - det vill säga utan användning av någon aktiv kompensation eller många omgångar av design. Istället för att försöka ingenjöra de exakta frekvenserna de ville skapa och iterera designen på chippen i förhoppningar om att få en som fungerade, steg de tillbaka och övervägde om resonatorernas matris producerade några stabila icke-linjära effekter över alla chip. När de kontrollerade blev de behagligt överraskade att deras chip skulle generera andra, tredje och till och med fjärde harmoniska för infallande ljus med en frekvens på cirka 190 THz - en standardfrekvens som används inom telekommunikation och fiberoptisk kommunikation.När de grävde i detaljerna insåg de att anledningen till att alla deras chips fungerade hade att göra med strukturen av deras resonatorarray. Ljuset cirkulerade snabbt runt de små ringarna i arrayen, vilket skapade en snabb tidsram. Men det fanns också en 'super-ring' bildad av alla de mindre ringarna, och ljuset cirkulerade runt den långsammare. Att ha dessa två tidsramar i chipet hade en viktig effekt på frekvens-fasmatchningsvillkoren som de inte hade uppskattat tidigare. Istället för att behöva förlita sig på noggrann design och aktiv kompensation för att arrangera en specifik frekvens-fasmatchningsvillkor, ger de två tidsramarna forskarna flera möjligheter att främja de nödvändiga interaktionerna. Med andra ord ger de två tidsramarna i praktiken frekvens-fasmatchningen gratis.

Forskarna testade sex olika chips tillverkade på samma kiselskiva genom att skicka in laserljus med standardfrekvensen på 190 THz, avbilda ett chip ovanifrån och analysera frekvenserna som lämnar en utgångsport. De fann att varje chip verkligen genererade den andra, tredje och fjärde harmoniska, vilket för deras ingångslaser råkade vara rött, grönt och blått ljus. De testade också tre enskilda ringanordningar. Även med inkludering av inbyggda värmare för att ge aktiv kompensation såg de bara andra harmoniskanbildning från en enhet över ett smalt temperaturintervall och ingångsfrekvens. Å andra sidan hade de två-tidsramars resonatorarrayer ingen aktiv kompensation och fungerade över ett relativt brett frekvensintervall. Forskarna visade till och med att när de ökade intensiteten på sitt inmatade ljus började chipen producera fler frekvenser kring var och en av harmonikorna, påminnande om den inbäddade frekvenskammen som skapades i ett tidigare resultat.

Författarna säger att deras ramverk kan ha breda implikationer för områden där integrerad fotonik redan används, särskilt inom metrologi, frekvensomvandling och icke-linjär optisk databehandling. Och det kan göra allt detta utan krångel med aktiv justering eller exakt konstruktion för att uppfylla frekvens-fasmatchningsvillkoren.

'Vi har samtidigt avslappnat dessa justeringsproblem till stor del, och också på ett passivt sätt,' säger Mehrabad. 'Vi behöver inte värmare; vi har inga värmare. De fungerar bara. Det löser ett långvarigt problem.'

Förutom Mehrabad, Hafezi, Srinivasan (som också är Fellow vid National Institute of Standards and Technology), Chembo och Xu hade artikeln flera andra författare: Gregory Moille, en biträdande forskningsvetare vid JQI; Christopher Flower, en tidigare doktorand vid JQI som nu är forskare vid Naval Research Laboratory; Supratik Sarkar, en doktorand i fysik vid JQI; Apurva Padhye, en doktorand i fysik vid JQI; Shao-Chien Ou, en doktorand i fysik vid JQI; Daniel Suarez-Forero, en tidigare postdoktorsforskare vid JQI som nu är biträdande professor i fysik vid University of Maryland, Baltimore County; och Mahdi Ghafariasl, en postdoktorsforskare vid JQI.

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

Tidskriftsinformation: Science

Tillhandahållet av Joint Quantum Institute