Αξιοποιώντας δύο φυσικές χρονικές κλίμακες σε διατάξεις συντονιστών, οι ερευνητές δημιούργησαν φωτονικά τσιπ που παράγουν αξιόπιστα πολλαπλές αρμονικές χωρίς την ανάγκη ενεργού αντιστάθμισης.
Επί δεκαετίες, επιστήμονες και μηχανικοί εξελίσσουν σταθερά τεχνολογίες που ελέγχουν και χειρίζονται το φως. Αυτά τα εργαλεία υποστηρίζουν πλέον τα πάντα, από τα ατομικά ρολόγια εξαιρετικής ακρίβειας έως τις τεράστιες ροές δεδομένων που διακινούνται μέσω των σύγχρονων κέντρων δεδομένων (data centers).
Καθώς οι βιομηχανίες βασίζονται όλο και περισσότερο σε οπτικά συστήματα, η αγορά για αξιόπιστες τεχνολογίες που βασίζονται στο φως έχει εξελιχθεί σε έναν κλάδο αξίας εκατοντάδων δισεκατομμυρίων δολαρίων παγκοσμίως.
Η πρόκληση της σμίκρυνσης των πηγών φωτός
Παρά την πρόοδο αυτή, ένα σημαντικό εμπόδιο παραμένει: η κατασκευή μιας συμπαγούς πηγής φωτός που να μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας σε ένα τσιπ. Μια τέτοια συσκευή θα απλοποιούσε την παραγωγή και θα επέτρεπε την απρόσκοπτη ενοποίηση με το υπάρχον ηλεκτρονικό και φωτονικό υλικό (hardware).
Ένας ιδιαίτερα σημαντικός στόχος ήταν η δημιουργία τσιπ ικανών να μετατρέπουν ένα μόνο χρώμα λέιζερ σε πολλαπλά νέα χρώματα. Αυτή η δυνατότητα είναι απαραίτητη για ορισμένες πλατφόρμες κβαντικών υπολογιστών, καθώς και για μετρήσεις χρόνου και συχνότητας υψηλής ακρίβειας.
Ερευνητές στο JQI αναφέρουν τώρα μια πολλά υποσχόμενη πρόοδο. Ανέπτυξαν και δοκίμασαν φωτονικά τσιπ που μπορούν να μετατρέψουν αξιόπιστα ένα εισερχόμενο χρώμα φωτός σε τρεις διακριτές νέες αποχρώσεις. Αξιοσημείωτο είναι ότι τα τσιπ λειτουργούν χωρίς ενεργό συντονισμό ή συνεχείς μικρορυθμίσεις, σημειώνοντας σημαντική βελτίωση σε σχέση με προηγούμενες προσεγγίσεις.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science. Αυτές οι συσκευές ανήκουν σε μια κατηγορία γνωστή ως φωτονικές τεχνολογίες, οι οποίες καθοδηγούν και χειρίζονται τα φωτόνια, τα θεμελιώδη σωματίδια του φωτός. Όπως ακριβώς τα ηλεκτρονικά κυκλώματα κατευθύνουν τα ηλεκτρόνια, έτσι και τα φωτονικά κυκλώματα μπορούν να διαχωρίζουν, να κατευθύνουν, να ενισχύουν και να συνδυάζουν δέσμες φωτός μέσα σε μια συμπαγή δομή.
«Ένα από τα κύρια εμπόδια στη χρήση της ολοκληρωμένης φωτονικής ως πηγής φωτός πάνω σε τσιπ είναι η έλλειψη ευελιξίας και επαναληψιμότητας», λέει ο Mohammad Hafezi, εταίρος του JQI, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών (έδρα Minta Martin) και καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ. «Η ομάδα μας έκανε ένα σημαντικό βήμα προς την υπέρβαση αυτών των περιορισμών».
Δημιουργία νέων χρωμάτων κατά παραγγελία
Σε αντίθεση με ένα πρίσμα, το οποίο απλώς διαχωρίζει τα διαφορετικά χρώματα που προϋπάρχουν στο λευκό φως, αυτά τα νέα τσιπ παράγουν εντελώς νέες συχνότητες που δεν αποτελούσαν μέρος της εισερχόμενης δέσμης.
Η παραγωγή νέων συχνοτήτων απευθείας πάνω σε ένα τσιπ μειώνει την ανάγκη για πρόσθετα λέιζερ, περιορίζοντας το μέγεθος και τις απαιτήσεις ισχύος. Σε ορισμένες περιπτώσεις, λέιζερ που λειτουργούν σε αυτές τις νέες συχνότητες δεν υπάρχουν καν, γεγονός που καθιστά την παραγωγή πάνω στο τσιπ ιδιαίτερα πολύτιμη.
Η επίτευξη αυτού του αποτελέσματος βασίζεται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως μη γραμμική οπτική. Υπό κανονικές συνθήκες, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φωτός και ενός υλικού είναι γραμμικές, πράγμα που σημαίνει ότι το φως μπορεί να διαθλαστεί ή να απορροφηθεί, αλλά η συχνότητά του παραμένει αμετάβλητη, όπως συμβαίνει με ένα πρίσμα.
Οι μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις συμβαίνουν όταν το φως γίνεται αρκετά έντονο ώστε να τροποποιεί τις ιδιότητες του υλικού από το οποίο διέρχεται. Αυτό το μεταβλημένο υλικό επιδρά στη συνέχεια αναδραστικά στο φως, επιτρέποντας τη δημιουργία νέων συχνοτήτων.
Αυτά τα πρόσθετα χρώματα μπορούν στη συνέχεια να αξιοποιηθούν για εργασίες όπως οι μετρήσεις ακριβείας, ο συγχρονισμός σημάτων ή η προηγμένη οπτική επεξεργασία. Δυστυχώς, οι μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις είναι συνήθως πολύ ασθενείς.
Μία από τις πρώτες παρατηρήσεις μιας μη γραμμικής οπτικής διαδικασίας αναφέρθηκε το 1961 και ήταν τόσο ασθενής, που κάποιος εμπλεκόμενος στη διαδικασία δημοσίευσης πέρασε τα δεδομένα-κλειδιά για μια μουτζούρα και τα αφαίρεσε από το κύριο σχήμα του άρθρου.
Αυτή η «μουτζούρα» ήταν η ανεπαίσθητη υπογραφή της γέννησης δεύτερης αρμονικής, κατά την οποία δύο φωτόνια χαμηλότερης συχνότητας μετατρέπονται σε ένα φωτόνιο με διπλάσια συχνότητα. Σχετικές διαδικασίες μπορούν να τριπλασιάσουν τη συχνότητα του εισερχόμενου φωτός, να την τετραπλασιάσουν και ούτω καθεξής.
Η μη γραμμική οπτική επιτρέπει τη δημιουργία νέων συχνοτήτων φωτός μέσω έντονων αλληλεπιδράσεων με υλικά, αλλάζοντας τις ιδιότητές τους. Αν και ιστορικά οι αλληλεπιδράσεις αυτές ήταν πολύ ασθενείς για να παρατηρηθούν, η διαδικασία αυτή επιτρέπει τη μετατροπή φωτονίων σε διπλάσιες, τριπλάσιες ή τετραπλάσιες συχνότητες.
Οι συντονιστές καθοδηγούν το φως σε στενούς κύκλους, επιτρέποντάς του να κυκλοφορεί εκατοντάδες χιλιάδες ή εκατομμύρια φορές πριν απελευθερωθεί. Κάθε μεμονωμένη διαδρομή μέσα από έναν συντονιστή προσθέτει μια ασθενή μη γραμμική αλληλεπίδραση, αλλά οι πολλές διαδρομές συνδυάζονται σε ένα πολύ ισχυρότερο αποτέλεσμα.
Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν συμβιβασμοί όταν προσπαθεί κανείς να παράγει ένα συγκεκριμένο σύνολο νέων συχνοτήτων χρησιμοποιώντας έναν μόνο συντονιστή. «Αν θέλετε να έχετε ταυτόχρονα γέννηση δεύτερης αρμονικής, τρίτης αρμονικής, τέταρτης αρμονικής —γίνεται όλο και πιο δύσκολο», λέει ο Mahmoud Jalali Mehrabad, κύριος συγγραφέας της δημοσίευσης και πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο JQI, ο οποίος είναι πλέον ερευνητής στο MIT. «Θυσιάζετε μία από αυτές για να πετύχετε καλή γέννηση τρίτης αρμονικής, αλλά τότε δεν μπορείτε να έχετε δεύτερη αρμονική, ή το αντίστροφο».
Σε μια προσπάθεια να αποφύγουν ορισμένους από αυτούς τους συμβιβασμούς, ο Hafezi και ο εταίρος του JQI, Kartik Srinivasan, μαζί με τον καθηγητή Ηλεκτρολογίας και Μηχανικής Υπολογιστών Yanne Chembo στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ (UMD), έχουν πρωτοπορήσει στο παρελθόν σε μεθόδους ενίσχυσης των μη γραμμικών φαινομένων χρησιμοποιώντας μια “ορδή” από μικροσκοπικούς συντονιστές που λειτουργούν όλοι μαζί συντονισμένα.
Η καινοτομία της αυτόματης «εξισορρόπησης»
Σε παλαιότερη εργασία τους, έδειξαν πώς ένα τσιπ με εκατοντάδες μικροσκοπικούς δακτυλίους διατεταγμένους σε μια συστοιχία συντονιστών μπορεί να ενισχύσει τα μη γραμμικά φαινόμενα και να καθοδηγήσει το φως γύρω από τις ακμές του. Πέρυσι, έδειξαν ότι ένα τσιπ με τέτοιο δικτυωτό μοτίβο θα μπορούσε να μεταστοιχειώσει ένα παλμικό λέιζερ σε ένα “εμφωλευμένο χτένι συχνοτήτων” (nested frequency comb) – φως με πολλές συχνότητες σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους, το οποίο χρησιμοποιείται σε κάθε είδους μετρήσεις υψηλής ακρίβειας.
Ωστόσο, χρειάστηκαν πολλές επαναλήψεις για να σχεδιαστούν τσιπ με το κατάλληλο σχήμα ώστε να παράγουν το ακριβές χτένι συχνοτήτων που επιδίωκαν, και μόνο ορισμένα από τα τσιπ τους λειτούργησαν πραγματικά. Το γεγονός ότι μόνο ένα κλάσμα των τσιπ λειτούργησε είναι ενδεικτικό της εξοργιστικής φύσης “επιτυχίας ή αποτυχίας” (hit-or-miss) που χαρακτηρίζει την εργασία με μη γραμμικές συσκευές.
Ο σχεδιασμός ενός φωτονικού τσιπ απαιτεί την εξισορρόπηση αρκετών παραγόντων προκειμένου να παραχθεί ένα φαινόμενο όπως ο διπλασιασμός της συχνότητας. Πρώτον, για να διπλασιαστεί η συχνότητα του φωτός, ένας μη γραμμικός συντονιστής πρέπει να υποστηρίζει τόσο την αρχική όσο και τη διπλασιασμένη συχνότητα.
Ακριβώς όπως μια χορδή κιθάρας που πάλλεται θα αντηχήσει μόνο σε ορισμένους τόνους, έτσι και ένας οπτικός συντονιστής φιλοξενεί μόνο φωτόνια συγκεκριμένων συχνοτήτων, οι οποίες καθορίζονται από το μέγεθος και το σχήμα του. Αλλά μόλις σχεδιάσετε έναν συντονιστή με αυτές τις συχνότητες “κλειδωμένες”, πρέπει επίσης να διασφαλίσετε ότι αυτές κυκλοφορούν γύρω από τον συντονιστή με την ίδια ταχύτητα.
Εάν όχι, θα αποσυγχρονιστούν μεταξύ τους και η απόδοση της μετατροπής θα υποβαθμιστεί. Αυτές οι απαιτήσεις μαζί είναι γνωστές ως συνθήκες συντονισμού συχνότητας και φάσης (frequency-phase matching).
Προκειμένου να κατασκευάσουν μια χρηστική συσκευή, οι ερευνητές πρέπει να φροντίσουν ώστε να ικανοποιούνται ταυτόχρονα και οι δύο αυτές συνθήκες. Δυστυχώς, μικροσκοπικές διαφορές μεγέθους λίγων νανομέτρων από τσιπ σε τσιπ —τις οποίες ακόμη και οι καλύτεροι κατασκευαστές στον κόσμο δεν μπορούν να αποφύγουν— μετατοπίζουν ελαφρώς τις συχνότητες συντονισμού ή αλλάζουν την ταχύτητα με την οποία αυτές κυκλοφορούν.
Αυτές οι μικρές μεταβολές αρκούν για να εξαλείψουν τις ακριβώς ρυθμισμένες παραμέτρους ενός τσιπ, καθιστώντας τον σχεδιασμό άχρηστο για μαζική παραγωγή.
Ένας από τους συγγραφείς παρομοίασε τη δύσκολη αυτή κατάσταση με την πιθανότητα να παρακολουθήσει κανείς μια έκλειψη ηλίου. «Αν θέλετε πραγματικά να δείτε την έκλειψη, αυτό σημαίνει ότι όταν κοιτάξετε στον ουρανό, η σελήνη πρέπει να επικαλύπτει τον ήλιο», λέει η Lida Xu, συν-επικεφαλής συγγραφέας και μεταπτυχιακή φοιτήτρια φυσικής στο JQI.
Η επίτευξη αξιόπιστων μη γραμμικών φαινομένων από τα φωτονικά τσιπ απαιτεί μια παρόμοια “σύμπτωση”. Μικρές αποκλίσεις στις συνθήκες συντονισμού συχνότητας-φάσης μπορούν να ξεπεραστούν με ενεργό αντιστάθμιση που προσαρμόζει τις ιδιότητες του υλικού ενός συντονιστή. Αυτό όμως προϋποθέτει την ενσωμάτωση μικρών θερμαντήρων – μια λύση που αφενός περιπλέκει τον σχεδιασμό και αφετέρου απαιτεί ξεχωριστή παροχή ισχύος.
Δύο χρονικές κλίμακες καθιστούν τον συντονισμό αυτόματο
Στη νέα τους εργασία, η Xu, ο Mehrabad και οι συνεργάτες τους ανακάλυψαν ότι η συστοιχία συντονιστών που χρησιμοποιήθηκε σε προηγούμενη έρευνα αυξάνει ήδη τις πιθανότητες ικανοποίησης των συνθηκών συντονισμού συχνότητας-φάσης με παθητικό τρόπο – δηλαδή, χωρίς τη χρήση ενεργού αντιστάθμισης ή πολυάριθμων κύκλων σχεδιασμού.
Αντί να προσπαθήσουν να σχεδιάσουν τις ακριβείς συχνότητες που ήθελαν να δημιουργήσουν και να επαναλαμβάνουν τον σχεδιασμό του τσιπ με την ελπίδα να βρουν ένα που να λειτουργεί, έκαναν ένα βήμα πίσω και εξέτασαν εάν η συστοιχία συντονιστών παρήγαγε σταθερά μη γραμμικά φαινόμενα σε όλα τα τσιπ.
Όταν έκαναν τον έλεγχο, διαπίστωσαν με ευχάριστη έκπληξη ότι τα τσιπ τους παρήγαγαν δεύτερη, τρίτη, ακόμη και τέταρτη αρμονική για εισερχόμενο φως με συχνότητα περίπου 190 THz — μια τυπική συχνότητα που χρησιμοποιείται στις τηλεπικοινωνίες και τις επικοινωνίες μέσω οπτικών ινών.
Καθώς εμβάθυναν στις λεπτομέρειες, συνειδητοποίησαν ότι ο λόγος που όλα τα τσιπ τους λειτουργούσαν σχετιζόταν με τη δομή της συστοιχίας των συντονιστών τους.
Το φως κυκλοφορούσε γρήγορα γύρω από τους μικρούς δακτυλίους της συστοιχίας, γεγονός που καθόριζε μια ταχεία χρονική κλίμακα. Υπήρχε όμως και ένας “υπερ-δακτύλιος” (super-ring) που σχηματιζόταν από όλους τους μικρότερους δακτυλίους μαζί, και το φως κυκλοφορούσε γύρω από αυτόν πιο αργά.
Η ύπαρξη αυτών των δύο χρονικών κλιμάκων στο τσιπ είχε μια σημαντική επίδραση στις συνθήκες συντονισμού συχνότητας-φάσης, την οποία δεν είχαν εκτιμήσει προηγουμένως. Αντί να πρέπει να βασίζονται σε σχολαστικό σχεδιασμό και ενεργό αντιστάθμιση για να επιτύχουν μια συγκεκριμένη συνθήκη συντονισμού συχνότητας-φάσης, οι δύο χρονικές κλίμακες παρέχουν στους ερευνητές πολλαπλές ευκαιρίες για την καλλιέργεια των απαραίτητων αλληλεπιδράσεων.
Με άλλα λόγια, οι δύο χρονικές κλίμακες παρέχουν ουσιαστικά τον συντονισμό συχνότητας-φάσης “δωρεάν”. Οι ερευνητές εξέτασαν έξι διαφορετικά τσιπ, κατασκευασμένα πάνω στην ίδια ημιαγωγική πλάκα (wafer), διοχετεύοντας φως λέιζερ με την τυπική συχνότητα των 190 THz, λαμβάνοντας εικόνες του τσιπ από ψηλά και αναλύοντας τις συχνότητες που έβγαιναν από μια θύρα εξόδου.
Διαπίστωσαν ότι κάθε τσιπ παρήγαγε πράγματι τη δεύτερη, τρίτη και τέταρτη αρμονική, οι οποίες για το λέιζερ εισόδου τους έτυχε να είναι κόκκινο, πράσινο και μπλε φως. Επίσης, δοκίμασαν τρεις συσκευές μονού δακτυλίου. Ακόμη και με τη χρήση ενσωματωμένων θερμαντήρων για την παροχή ενεργού αντιστάθμισης, παρατήρησαν γέννηση δεύτερης αρμονικής μόνο από μία συσκευή και σε ένα πολύ στενό εύρος θερμοκρασίας θερμαντήρα και συχνότητας εισόδου.
Αντιθέτως, οι διατάξεις συντονιστών δύο χρονικών κλιμάκων δεν διέθεταν ενεργό αντιστάθμιση και λειτούργησαν σε ένα σχετικά ευρύ φάσμα συχνοτήτων εισόδου. Οι ερευνητές έδειξαν μάλιστα ότι, καθώς αύξαναν την ένταση του εισερχόμενου φωτός τους, τα τσιπ άρχιζαν να παράγουν περισσότερες συχνότητες γύρω από κάθε αρμονική, θυμίζοντας το “εμφωλευμένο χτένι συχνοτήτων” που είχε δημιουργηθεί σε προηγούμενο αποτέλεσμα.
Ευρεία επίδραση χωρίς ενεργό συντονισμό
Οι συγγραφείς αναφέρουν ότι το πλαίσιο εργασίας τους θα μπορούσε να έχει ευρείες επιπτώσεις σε τομείς όπου η ολοκληρωμένη φωτονική χρησιμοποιείται ήδη, ιδιαίτερα στη μετρολογία, τη μετατροπή συχνότητας και τη μη γραμμική οπτική υπολογιστική.
Και μπορεί να τα επιτύχει όλα αυτά χωρίς την ταλαιπωρία του ενεργού συντονισμού ή του σχολαστικού σχεδιασμού για την ικανοποίηση των συνθηκών συντονισμού συχνότητας-φάσης. «Έχουμε χαλαρώσει ταυτόχρονα αυτά τα ζητήματα ευθυγράμμισης σε τεράστιο βαθμό, και μάλιστα με παθητικό τρόπο», λέει ο Mehrabad. «Δεν χρειαζόμαστε θερμαντήρες – δεν έχουμε θερμαντήρες. Απλώς λειτουργούν. Αυτό αντιμετωπίζει ένα πρόβλημα που παρέμενε άλυτο για πολύ καιρό».