За последние несколько десятилетий исследователи добились значительного прогресса в использовании света для научных и промышленных целей. От создания невероятно точных часов до обработки петабайт информации, передаваемой через центры обработки данных, спрос на готовые технологии, которые могут надёжно генерировать свет и управлять им, стал глобальным рынком, стоящим сотни миллиардов долларов.
Одной из задач, которая долгое время ставила учёных в тупик, было создание компактного источника света, который можно было бы разместить на чипе. Это значительно упростило бы интеграцию с существующим оборудованием. В частности, исследователи давно стремились разработать чипы, которые могли бы преобразовывать один цвет лазерного света в радугу дополнительных цветов — необходимый компонент для создания определённых видов квантовых компьютеров и проведения точных измерений частоты или времени.
Теперь исследователи из JQI разработали и протестировали новые чипы, которые надёжно преобразуют один цвет света в три оттенка. Примечательно, что все чипы работают без каких-либо активных входов или тщательной оптимизации — значительное улучшение по сравнению с предыдущими методами. Команда описала свои результаты в журнале Science 6 ноября 2025 года.
Новые фотонные устройства — это больше, чем просто призмы. Призма разделяет многоцветный свет на составляющие цвета или частоты, тогда как эти чипы добавляют совершенно новые цвета, которых нет во входящем свете. Возможность генерировать новые частоты света непосредственно на чипе экономит место и энергию, которые обычно занимают дополнительные лазеры. И, что, возможно, более важно, во многих случаях лазеры, излучающие на вновь сгенерированных частотах, даже не существуют.
Особенности новых фотонных чипов
Новые фотонные устройства более чем просто призмы. Они способны генерировать новые частоты света, что требует специальных взаимодействий между светом и фотонными устройствами. Обычно эти взаимодействия линейны, но нелинейные взаимодействия могут изменять частоту света.
Однако нелинейные взаимодействия обычно очень слабы. Исследователи научились усиливать их, используя тщательно разработанные чипы с фотонными резонаторами. Резонаторы направляют свет по замкнутым циклам, позволяя ему циркулировать сотни тысяч или миллионы раз перед высвобождением. Каждое прохождение через резонатор добавляет слабое нелинейное взаимодействие, но множество таких проходов объединяются в более сильный эффект.
Однако есть компромиссы при попытке произвести определённый набор новых частот с помощью одного резонатора. «Если вы хотите одновременно иметь второе, третье и четвёртое гармоническое генерирование, это становится всё сложнее и сложнее», — говорит Махмуд Джалали Мехрабад, ведущий автор статьи и бывший научный сотрудник JQI, который сейчас является научным сотрудником MIT.
Для того чтобы избежать некоторых из этих компромиссов, Хафези и сотрудник JQI Картик Шринивасан вместе с профессором электротехники и вычислительной техники Янне Шембо из Университета Мэриленда (UMD) разработали способы усиления нелинейных эффектов, используя множество крошечных резонаторов, работающих согласованно.
В новой работе Сюй, Мехрабад и их коллеги обнаружили, что массив резонаторов, используемый в предыдущей работе, уже увеличивает шансы на удовлетворение условий частотно-фазового согласования пассивным образом — то есть без использования какой-либо активной компенсации или многочисленных раундов проектирования.
Исследователи протестировали шесть различных чипов, изготовленных на одной пластине, отправив лазерный свет со стандартной частотой 190 ТГц, визуализируя чип сверху и анализируя частоты, выходящие из выходного порта. Они обнаружили, что каждый чип действительно генерировал вторую, третью и четвёртую гармоники, которые для их входного лазера оказались красным, зелёным и синим светом.
Авторы говорят, что их фреймворк может иметь широкие последствия для областей, в которых уже используются интегрированные фотоника, особенно в метрологии, преобразовании частоты и нелинейных оптических вычислениях. И всё это можно сделать без хлопот, связанных с активной настройкой или точным проектированием для удовлетворения условий частотно-фазового согласования.
«Мы одновременно в огромной степени ослабили эти проблемы выравнивания, и сделали это пассивным образом», — говорит Мехрабад. «Нам не нужны нагреватели; у нас их нет. Они просто работают. Это решает давнюю проблему».