Ein wissenschaftliches Forschungsteam des Joint Quantum Institute (JQI) der University of Maryland in den Vereinigten Staaten hat kürzlich erfolgreich einen neuen Chip entwickelt, der ohne externe Steuerung Laser mehrerer Farben stabil umwandeln und erzeugen kann. Es wird erwartet, dass dieser Durchbruch die photonische Integrationstechnologie im Einklang mit der Revolution der Halbleitertechnologie vorantreiben und den Weg für den praktischen Einsatz von Quantenkommunikationsnetzwerken und optischen Präzisionsinstrumenten ebnen wird.
Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler intensiv daran, großformatige optische Experimentierwerkzeuge wie Laser, Linsen und Spiegel zu miniaturisieren und auf fingernagelgroßen Chips zu integrieren. Die Miniaturisierung dieser Geräte ist der Schlüssel zur Erhöhung der Datenkommunikationsgeschwindigkeit, zur Entwicklung hochpräziser Atomuhren und zur Skalierung von Quantencomputern, die Licht statt elektronischer Signale verwenden. Allerdings war die Aufteilung eines monochromatischen Lasers in mehrere Komponenten auf einem kleinen Chip, um die Erzeugung mehrerer neuer Frequenzen zu erreichen, schon immer ein Problem auf diesem Gebiet.
Ein Forschungsteam aus Maryland hat diese Schwierigkeit nun überwunden. Sie entwarfen und bauten einen Chip, der eine einzelne Farbe von Laserlicht in drei verschiedene Lichtfrequenzen umwandelt. Noch wichtiger ist, dass dieser Prozess keine externe aktive Eingabe oder komplexe Feinabstimmung erfordert, was die Wiederholbarkeit und Stabilität des integrierten optischen Signals erheblich verbessert. Relevante Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Geräten wie Prismen, die nur für die Zerlegung vorhandener Farben verantwortlich sind, kann dieser Chip neue Lichtfrequenzen „erzeugen“, die ursprünglich nicht vorhanden waren. Die Erzielung neuer Lichtfrequenzen beruht auf nichtlinearen optischen Effekten – nur eine Beleuchtung mit hoher Intensität verändert die optischen Eigenschaften von Materialien, was wiederum Auswirkungen auf das Licht selbst hat. Diese Art von nichtlinearem Effekt wurde vor mehr als 60 Jahren entdeckt (z. B. „Second Harmonic Generation“ im Jahr 1961), aber der Effekt selbst ist zu schwach und konnte in der Vergangenheit nur schwer effektiv genutzt werden.
Moderne integrierte photonische Chips nutzen winzige Resonanzhohlräume, in denen das Licht millionenfach zirkuliert und so nichtlineare Effekte erheblich verstärkt. Aber selbst dann führen kleine Änderungen in der Herstellung des Chips, der Temperatur, der Struktur usw. immer noch dazu, dass die Ausgangsfrequenzkombination extrem instabil ist.
Die neue Lösung des JQI-Teams macht wiederholte Anpassungen vollständig überflüssig, indem sie einen Resonanzhohlraum entwirft, der die erforderliche nichtlineare Wechselwirkung „voreinstellt“. Mohammad Hafezi, Projektleiter, JQI-Forscher und Professor am Department of Electrical and Computer Engineering and Physics der University of Maryland, sagte, dass dieser Erfolg nicht nur die Leistung verbessert, sondern auch Reproduzierbarkeit für die Massenproduktion und die tatsächliche Integration bietet. Der Chip kann kontinuierlich das gleiche Spektrum ausgeben, ohne dass eine aktive Steuerung erforderlich ist, was die Integration großer photonischer Systeme voraussichtlich erheblich vereinfachen wird.
Wenn die On-Chip-Frequenzerzeugungstechnologie immer zuverlässiger wird, könnte sie in Zukunft zur zentralen Grundlage für die photonenbasierte Quanteninformationsübertragung werden. Jede Lichtfarbe entspricht einer einzigartigen Frequenz. Die stabile Kombination mehrerer Frequenzen auf atomarer Ebene wird die Genauigkeit der phasen-, abstands- und zeitempfindlichen Erkennung erheblich verbessern und Spitzenfeldern wie Quantencomputern und tragbaren Atomuhren zugute kommen.