Në vitet 1960, fizikantët treguan se si drita mund të bashkëveprojë me veten në mënyra intriguese falë një procesi të njohur si gjenerata e harmonisë së dytë. Në llojin e duhur të materialit, dy fotone me një frekuencë të caktuar mund të bashkëveprojnë për të prodhuar një foton tjetër me dy herë frekuencën, duke e kthyer dritën e kuqe në jeshile, për shembull. Që atëherë, fizikantët kanë shfrytëzuar këto optikë jo-lineare në teknika duke filluar nga matja precize deri tek informatika kuantike.
Megjithatë, ka mbetur një sfidë e vazhdueshme. Pajisjet optike jolineare duhet të punohen me një funksion të vetëm, të pandryshueshëm të përcaktuar gjatë trillimit. Dhe kjo kufizon dobinë dhe funksionin e tyre.
Tani kjo duket se do të ndryshojë falë punës së Ryotatsu Yanagimoto në Universitetin Cornell në Ithaca, dhe kolegëve, të cilët kanë zbuluar një çip fotonik të programueshëm që premtoi të riformulojë shkencën optike dhe teknologjinë që mundëson.
Dritë e skalitur
Një proces kryesor në optikën jo-lineare është përputhja e fazës-aftësia për të sinkronizuar dy valë të ndryshme të dritës për t'i mbajtur ato në fazë. Materialet e zakonshme zakonisht nuk e lejojnë këtë në gjendjen e tyre të papërpunuar dhe kështu duhet të jenë “skalitur” me kujdes përmes proceseve komplekse të nanofabrikimit.
Një shembull është të rritni modele të materialit gjysmëpërçues në sipërfaqe për të formuar një grilë që detyron dritën e një gjatësi të caktuar vale për të bashkëvepruar në një mënyrë jolineare. Kjo lejon që drita lazer të bashkëveprojë me elektronet brenda materialit në një mënyrë jolineare që i mban fazat e tyre në sinkron. Ky njihet si një efekt χ (2).
Sidoqoftë, ky model është i fiksuar, siç është edhe lloji i ndërveprimeve që lejon materiali dhe çdo aplikim i mundshëm.
Përparimi i Yanagimoto dhe CO i tejkalon këto kufizime. Ata kanë gjetur një mënyrë për të nxitur të njëjtat lloje të ndryshimeve në një material duke përdorur një fushë të dritës së jashtme. Pra, duke rrezatuar një model drite mbi materialin, ai mund të krijojë të njëjtin lloj efekti χ (2).
Ky mekanizëm i zgjuar i lejon ekipit të krijojë gratina të gjithanshme që përputhen me fazën që janë të personalizueshme në kohë reale. “Kjo na lejoi të krijonim profile të dallueshme të dritës hapësinore nëpër gjatësi vale të shumta,” thonë ekipi.
Mekanika themelore përfshin një shirit valësh të pllakave të përbërë nga një bërthamë nitride silikoni, një shtresë nitride fotokonduktive e pasur me silikon dhe një elektrodë oksidi i kallajit indium. Kur ndriçohet nga drita e strukturuar e lazerit jeshil, shtresa fotokonduktive bëhet përçuese në vend, duke shkaktuar një jolinearitet të programueshëm.
Në një demonstrim, Yanagimoto dhe Co përdorën teknikën për të shqiptuar emrin “Cornell” në dritën e dyfishtë harmonike me kalimin e kohës. Ata e arritën këtë duke përdorur ndriçim të strukturuar në shtresën fotokonduktive, duke aktivizuar në mënyrë selektive jolinearitetin e shkaktuar nga fusha elektrike në të gjithë sipërfaqen e çipit. Kur u aplikua tensioni i paragjykimit, këto rajone të ndriçuara u bënë aktive, duke gjeneruar dritë të dyfishtë harmonike në dy herë frekuencën e rrezes lazer të hyrjes, por të moduluara me kalimin e kohës në një mënyrë që shqiptoi emrin e universitetit.
Kjo përshtatje duhet të hapë përmbytjet për aplikime të ndryshme. Për shembull, çipat fotonikë të programueshëm jolinear mund të mundësojnë arkitektura të sofistikuara të llogaritjes kuantike, duke lejuar një pajisje të vetme të ekzekutojë porta të shumta kuantike ose të gjenerojë gjendje kuantike të përshtatura për detyra specifike llogaritëse.
Patate të skuqura gjithashtu premtojnë përparime të rëndësishme në komunikimet klasike optike, duke mundësuar përpunimin ultra të shpejtë të sinjalit gjithëpërfshirës dhe llogaritjen optike të rikonfigurueshme. “Puna jonë tregon se ne mund të kapërcejmë paradigmën konvencionale me një pajisje-një funksion,” thonë Yanagimoto dhe bashkë.
Ekipi gjithashtu zhvilloi teknika të reagimit në kohë reale që i lejojnë ata të prodhojnë ndryshime të vogla në prodhim sipas nevojës. Kjo u lejon atyre të adresojnë një nga çështjet e gjata me teknikat optike tradicionale jolineare: papërsosmëritë e trillimit. Komponentët tradicionalë janë jashtëzakonisht të ndjeshëm ndaj papërsosmërive të vogla që mund të ndikojnë në mënyrë drastike në performancën. Por përshtatshmëria në kohë reale e anashkalon këtë sfidë duke kompensuar në mënyrë dinamike këto ndryshime, duke rritur shumë besueshmërinë dhe rendimentin.
Aplikime praktike
Pajisja e ekipit Cornell është ende në një fazë të hershme të zhvillimit. Fuqia e saj e tanishme jolineariteti, edhe pse modeste, potencialisht mund të rritet me një faktor dhjetë ose edhe njëqind përmes përsosjeve të mëtejshme inxhinierike, thonë Yanagimoto dhe kolegët. Përmirësime të tilla duhet të ndihmojnë shtytjen e kësaj teknologjie nga pankina laboratorike në përdorim praktik.
Duke reflektuar në arritjen e tyre, Yanagimoto dhe Co thonë se puna i hap rrugën një të ardhme ku pajisjet optike nuk janë thjesht përçues pasivë, por pjesëmarrës aktivë, duke iu përgjigjur dinamikisht kërkesave të mjediseve dhe përdoruesve të tyre. Ky zhvillim nënkupton një epokë të re në optikë, një ku përshtatshmëria dhe programueshmëria janë themelore sesa të jashtëzakonshme.
Ref: Fotonika jolineare e programueshme në çip: arxiv.org/abs/2503.19861
