Een wetenschappelijk onderzoeksteam van het Joint Quantum Institute (JQI) van de Universiteit van Maryland in de Verenigde Staten heeft onlangs met succes een nieuwe chip ontwikkeld die lasers van meerdere kleuren stabiel kan converteren en produceren zonder externe controle. Verwacht wordt dat deze doorbraak de fotonische integratietechnologie in lijn zal brengen met de revolutie in de halfgeleidertechnologie, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor het praktische gebruik van kwantumcommunicatienetwerken en optische precisie-instrumenten.
Jarenlang hebben wetenschappers hard gewerkt om grootschalige optische experimentele hulpmiddelen zoals lasers, lenzen en spiegels te miniaturiseren en deze te integreren in chips ter grootte van een vingernagel. Het miniaturiseren van deze apparaten is de sleutel tot het verhogen van de datacommunicatiesnelheden, het creëren van uiterst nauwkeurige atoomklokken en het schalen van kwantumcomputers die licht gebruiken in plaats van elektronische signalen. Het is echter altijd een probleem geweest dat dit vakgebied teistert, hoe je een monochromatische laser in meerdere componenten op een kleine chip kunt verdelen om zo meerdere nieuwe frequenties te genereren.
Een onderzoeksteam uit Maryland heeft deze moeilijkheid nu overwonnen. Ze ontwierpen en bouwden een chip die een enkele kleur laserlicht omzet in drie verschillende lichtfrequenties. Belangrijker nog is dat dit proces geen externe actieve input of complexe fijnafstemming vereist, waardoor de herhaalbaarheid en stabiliteit van het geïntegreerde optische signaal aanzienlijk wordt verbeterd. Relevante resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science.
In tegenstelling tot traditionele optische apparaten zoals prisma's, die alleen verantwoordelijk zijn voor het afbreken van bestaande kleuren, kan deze chip nieuwe lichtfrequenties "creëren" die oorspronkelijk niet bestonden. Het bereiken van nieuwe lichtfrequenties is afhankelijk van niet-lineaire optische effecten: alleen verlichting met hoge intensiteit verandert de optische eigenschappen van materialen, wat op zijn beurt het licht zelf beïnvloedt. Dit type niet-lineair effect werd meer dan 60 jaar geleden ontdekt (zoals de "tweede harmonische generatie" in 1961), maar het effect zelf is te zwak en was in het verleden moeilijk effectief te exploiteren.
Moderne geïntegreerde fotonische chips maken gebruik van kleine resonantieholtes waarin licht miljoenen keren circuleert, waardoor niet-lineaire effecten aanzienlijk worden versterkt. Maar toch zorgen kleine veranderingen in de productie, temperatuur, structuur, etc. van de chip er nog steeds voor dat de combinatie van de uitgangsfrequentie extreem onstabiel is.
De nieuwe oplossing van het JQI-team elimineert de noodzaak van herhaalde aanpassingen volledig door een resonante holte te ontwerpen die de vereiste niet-lineaire interactie ‘vertekent’. Mohammad Hafezi, projectleider, JQI-onderzoeker en professor aan de afdeling Electrical and Computer Engineering and Physics aan de Universiteit van Maryland, zei dat deze prestatie niet alleen de prestaties verbetert, maar ook repliceerbaarheid biedt voor massaproductie en daadwerkelijke integratie. De chip kan continu hetzelfde spectrum produceren zonder dat actieve controle nodig is, wat naar verwachting de moeilijkheid van het integreren van grootschalige fotonische systemen aanzienlijk zal vereenvoudigen.
Naarmate de technologie voor het genereren van frequenties op de chip betrouwbaar wordt, kan dit in de toekomst de kernbasis worden voor op fotonen gebaseerde kwantuminformatietransmissie. Elke lichtkleur komt overeen met een unieke frequentie. De stabiele combinatie van meerdere frequenties op atomair niveau zal de nauwkeurigheid van fase-, afstands- en tijdgevoelige detectie aanzienlijk verbeteren, wat ten goede komt aan geavanceerde velden zoals kwantumcomputers en draagbare atoomklokken.