Tym razem punkt ciężkości leży w czymś bardziej przyziemnym: w konstrukcji, która sprawia, że układ działa przewidywalnie i bez ciągłego dopieszczania temperaturą czy innymi metodami strojenia. Efekt końcowy brzmi prosto. W jednym układzie w widmie pojawiały się równocześnie składowe: podstawowa oraz druga, trzecia i czwarta harmoniczna, czyli de facto nowe częstotliwości światła z jednego źródła wejściowego.
Dlaczego nowe kolory na chipie są takim kłopotem?
W optyce nieliniowej nie miesza się barw jak farb. Tutaj nowe częstotliwości powstają dlatego, że w materiale przy dużym natężeniu pola elektromagnetycznego odpowiedź przestaje być liniowa. Najbardziej klasyczny przykład to generacja drugiej harmonicznej: światło o częstotliwości f daje składnik 2f. Podobnie pojawia się 3f, 4f i tak dalej.
Na stole optycznym da się to robić w dużych kryształach i z odpowiednią optyką. Na chipie wszystko dzieje się w falowodach i mikror rezonatorach, gdzie światło krąży wiele razy, a mały rozmiar pomaga budować wysokie natężenia. Problem w tym, że te same małe rozmiary oznaczają ogromną wrażliwość na geometrię: nanometrowe różnice szerokości czy grubości falowodu potrafią przestawić warunki pracy tak, że efekt słabnie albo znika.
Sednem jest dopasowanie częstotliwościowo-fazowe: warunki zachowania energii i pędu muszą się spinać jednocześnie dla kilku fal uczestniczących w procesie. W zintegrowanej fotonice to bywa jak próba trafienia w wąską szczelinę, a jeśli chcesz jeszcze kilku harmonicznych naraz, robi się to jeszcze węższe.
Zamiast idealnej precyzji: pomysł z dwiema skalami czasu
Rozwiązanie oparte jest na sieci sprzężonych rezonatorów pierścieniowych z azotku krzemu (SiN). Klucz nie polega na tym, że pojedynczy pierścień jest lepszy, tylko że cała struktura ma dwa naturalne rytmy obiegu światła. Pierwszy rytm jest szybki: światło krąży w każdym małym pierścieniu osobno. Drugi jest wolniejszy: sprzężenie wielu pierścieni tworzy większą pętlę obiegu, coś w rodzaju super-pierścienia, po którym światło też może się rozchodzić, ale w innym tempie.
Ten zabieg przekłada się na fizykę dopasowania fazowego. Zamiast wymuszać jeden idealnie dopasowany zestaw warunków, architektura daje więcej ścieżek, w których bilans częstotliwości i faz potrafi się ułożyć. Autorzy nazywają to podejściem “nested” (zagnieżdżonym) do dopasowania częstotliwościowo-fazowego. W praktyce chodzi o poluzowanie dawnych ograniczeń bez dokładania aktywnego strojenia.
Punktem startu było światło w paśmie telekomunikacyjnym, około 190 THz, czyli zakres dobrze znany z systemów światłowodowych. To ważne, bo pokazuje, że nie trzeba zaczynać od egzotycznego lasera tylko po to, by w ogóle wejść do gry. W demonstracji pojawiły się jednocześnie kolejne harmoniczne: druga, trzecia i czwarta, obok składowej podstawowej. Innymi słowy, z jednej częstotliwości wejściowej uzyskano kilka nowych barw wynikających z mnożenia częstotliwości.
Najmocniejsza liczba to wydajność produkcyjna w sensie funkcjonalności. Raportowany jest 100-procentowy uzysk wielofunkcyjnych urządzeń na waflu, czyli sytuacja, w której układy nie są pojedynczymi szczęśliwymi trafami, tylko zachowują się przewidywalnie w skali produkcji. I to bez aktywnego strojenia geometrii pod konkretny egzemplarz oraz bez termicznego dokręcania pracy.
Jak to wpłynie na fotonikę zintegrowaną?
W zastosowaniach inżynierskich liczy się to, czy da się coś włączyć do systemu bez dodatkowej obsługi. Generacja harmonicznych na chipie bywała jak sport dla cierpliwych: działało, ale często wymagało grzałek, stabilizacji, dopasowywania. Konstrukcja bardziej tolerancyjna na zmiany technologiczne przesuwa granicę w stronę elementu, który można po prostu zaprojektować i produkować.
To otwiera drzwi do praktycznych konwersji częstotliwości: kiedy potrzebujesz światła w paśmie, dla którego nie masz wygodnego źródła laserowego, ale możesz je wyprodukować z pasma, które jest tanie, stabilne i dostępne. Dla metrologii, synchronizacji i pracy z grzebieniami częstotliwości to naturalny kierunek, bo tam często liczy się spójność i możliwość budowania wielu częstotliwości z jednego, dobrze kontrolowanego źródła.
Źródło: Sci Tech Daily; JQI