Chips fotonici noi transformă pasiv lumina laser în mai multe culori la cerere
Cercetătorii de la Institutul Comun de Quantum (JQI) au creat și testat noi chipsuri fotonice care pot converti fiabil o culoare de lumină laser în mai multe nuanțe. Aceste chipsuri funcționează fără a necesita inputuri active sau optimizări laborioase, ceea ce reprezintă o îmbunătățire semnificativă în comparație cu metodele anterioare. Rezultatele echipei au fost publicate în revista Science pe 6 noiembrie 2025.
Noile chipsuri sunt exemple de dispozitive fotonice care pot controla fotonii, particulele cuantice de lumină. Aceste dispozitive nu doar că direcționează și amplifică fluxurile de fotoni, dar adaugă și culori complet noi, care nu sunt prezente în lumina inițială. Această capacitate de a genera noi frecvențe de lumină direct pe un chip economisește spațiu și energie, eliminând nevoia de lasere suplimentare.
Unul dintre cele mai mari obstacole în utilizarea fotonica integrată ca sursă de lumină pe chipuri este lipsa de versatilitate și reproducibilitate. Mohammad Hafezi, cercetător la JQI și profesor de inginerie electrică și informatică la Universitatea din Maryland, subliniază importanța acestui progres, afirmând că echipa sa a făcut un pas semnificativ în depășirea acestor limitări.
Cum funcționează chipsurile fotonice în generarea de noi culori
Dispozitivele fotonice nou dezvoltate funcționează diferit față de prismele tradiționale, care doar dispersează lumina într-o gamă de culori existente. Chipsurile inovatoare adaugă culori noi care nu erau incluse în lumina de intrare. Această capacitate de a genera frecvențe noi ale luminii pe un chip necesită interacțiuni speciale, iar cercetătorii au reușit să dezvolte aceste interacțiuni complexe de-a lungul decadelor.
Interacțiunile dorite sunt de obicei nonliniare, adică se produc atunci când lumina este concentrată atât de intens încât începe să modifice comportamentul dispozitivului fotonic, schimbând astfel și lumina. Această interacțiune poate genera o varietate de frecvențe diferite, care pot fi folosite pentru măsurători, sincronizări și multe altele.
Cu toate acestea, aceste interacțiuni nonliniare sunt, de obicei, foarte slabe. De exemplu, primul indiciu al unei procese optice nonliniare a fost raportat în 1961 ca fiind atât de slab încât unii cercetători au confundat datele cu o pată și le-au eliminat din figurile principale ale lucrării. Această descoperire a deschis calea pentru înțelegerea generării armonice, în care doi fotoni de frecvență mică sunt transformați într-un foton cu o frecvență dublă.
Descoperirea unui nou mod de a satisface condițiile de sincronizare a frecvențelor
Cercetătorii de la JQI, inclusiv Mahmoud Jalali Mehrabad și colegii săi, au descoperit că utilizarea unei matrice de rezonatori mici crește șansele de a satisface condițiile de sincronizare a frecvențelor într-un mod pasiv, fără a necesita compensații active sau un proces de inginerie complex. Ei au observat că chipurile lor generau armonici de ordinul doi, trei și patru pentru o lumină de intrare cu frecvența de aproximativ 190 THz, folosită frecvent în telecomunicații.
Structura matricei de rezonatori a permis circulația rapidă a luminii, stabilind astfel o scală rapidă de timp. În același timp, un „super-rezonator” format de micile inele a permis circulația lentă a luminii, ceea ce a dus la satisfacerea condițiilor de sincronizare fără a fi nevoie de un design meticulos sau de compensații active.
Rezultatele obținute demostrsează că aceste chipsuri funcționează eficient asupra unei game largi de frecvențe de intrare, și pe măsură ce intensitatea luminii de intrare crește, chipsurile generează frecvențe suplimentare în jurul armonicelor, ceea ce sugerează aplicații promițătoare în metrologie și calcul opto-nonlinar.
În concluzie, cercetarea efectuată de acest grup de la JQI reprezintă nu doar un avans tehnologic major în domeniul dispozitivelor fotonice integrate, ci și o posibilitate de dezvoltare a unor aplicații inovatoare în viitor, ameliorând toate problemele de ajustare active și erorile de proiectare care au împiedicat până acum extinderea acestor tehnologii.
