Научно-исследовательская группа из Объединенного квантового института (JQI) Университета Мэриленда в США недавно успешно разработала новый чип, который может стабильно преобразовывать и производить лазеры нескольких цветов без внешнего управления. Ожидается, что этот прорыв приведет технологию фотонной интеграции в соответствие с революцией в полупроводниковых технологиях, открыв путь для практического использования сетей квантовой связи и прецизионных оптических инструментов.
В течение многих лет ученые усердно работали над миниатюризацией крупномасштабных оптических экспериментальных инструментов, таких как лазеры, линзы и зеркала, и интегрированием их в чипы размером с ноготь. Миниатюризация этих устройств является ключом к увеличению скорости передачи данных, созданию атомных часов сверхвысокой точности и масштабированию квантовых компьютеров, использующих свет, а не электронные сигналы. Однако вопрос о том, как разделить монохроматический лазер на несколько компонентов на небольшом чипе, чтобы добиться генерации множества новых частот, всегда был проблемой, которая беспокоит эту область.
Исследовательская группа из Мэриленда теперь преодолела эту трудность. Они разработали и создали чип, который преобразует один цвет лазерного света в три различных частоты света. Что еще более важно, этот процесс не требует внешнего активного входа или сложной точной настройки, что значительно улучшает повторяемость и стабильность интегрированного оптического сигнала. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Science.
В отличие от традиционных оптических устройств, таких как призмы, которые отвечают только за разделение существующих цветов, этот чип может «создавать» новые частоты света, которых изначально не существовало. Достижение новых частот света основано на нелинейных оптических эффектах: только освещение высокой интенсивности меняет оптические свойства материалов, что, в свою очередь, влияет на сам свет. Этот тип нелинейного эффекта был открыт более 60 лет назад (например, «генерация второй гармоники» в 1961 году), но сам эффект слишком слаб, и в прошлом его было трудно эффективно использовать.
Современные интегрированные фотонные чипы используют крошечные резонансные полости, в которых свет циркулирует миллионы раз, что значительно усиливает нелинейные эффекты. Но даже в этом случае небольшие изменения в производстве чипа, температуре, структуре и т. д. по-прежнему приводят к крайне нестабильной комбинации выходных частот.
Новое решение команды JQI полностью исключает необходимость повторной настройки за счет разработки резонансной полости, которая «смещает» необходимое нелинейное взаимодействие. Мохаммад Хафези, руководитель проекта, исследователь JQI и профессор кафедры электротехники, вычислительной техники и физики Университета Мэриленда, сказал, что это достижение не только повышает производительность, но также обеспечивает тиражируемость для массового производства и фактической интеграции. Чип может непрерывно выдавать один и тот же спектр без необходимости активного управления, что, как ожидается, значительно упростит интеграцию крупномасштабных фотонных систем.
Поскольку технология генерации частоты на кристалле становится надежной, в будущем она может стать основной основой для передачи квантовой информации на основе фотонов. Каждый цвет света соответствует уникальной частоте. Стабильная комбинация нескольких частот на атомном уровне значительно повысит точность определения фазы, расстояния и времени, что принесет пользу передовым областям, таким как квантовые вычисления и портативные атомные часы.