Ryotatsu Yanagimoto, naukowiec z NTT Research, kierował badaniami pod kierunkiem Petera L. McMahona, profesora nadzwyczajnego na Uniwersytecie Cornell. Artykuł zatytułowany „Programmable On-Chip Nonlinear Photonics” został opublikowany w wiodącym czasopiśmie naukowym Nature w Internecie 8 października 2025 r. Zostanie opublikowany drukiem przez Nature 13 listopada 2025 r.
„Wyniki te oznaczają odejście od konwencjonalnego paradygmatu optyki nieliniowej, gdzie funkcje urządzenia są trwale ustalane podczas produkcji. Rozszerza to zastosowanie fotoniki nieliniowej na sytuacje, w których szybka rekonfiguracja urządzenia i wysoka wydajność są nie tylko wygodne, ale niezbędne” – powiedział Yanagimoto. „Po raz pierwszy opracowano drogę naprzód polegającą na zastosowaniu optyki nieliniowej w wielkoskalowych obwodach optycznych, rekonfigurowalnej kwantowej konwersji częstotliwości, syntezatorach arbitralnych przebiegów optycznych oraz szeroko przestrajalnych klasycznych i kwantowych źródłach światła – a wszystko to jest niezbędne do tworzenia zaawansowanej infrastruktury obliczeniowej i komunikacyjnej”.
Przełamanie tradycyjnego modelu urządzenia fotonicznego
Konwencjonalnie urządzenia fotoniczne opierają się na paradygmacie „jedno urządzenie, jedna funkcja”, co oznacza, że każdy element optyczny może wykonywać tylko jedno, z góry określone zadanie, które jest ustalane podczas produkcji urządzenia. To ograniczenie wymaga od producentów tworzenia oddzielnych urządzeń do różnych funkcji, co zwiększa koszty i złożoność, a jednocześnie zmniejsza wydajność produkcyjną z powodu błędów produkcyjnych.
Programowalny falowód nieliniowy opracowany przez firmę NTT Research i jej współpracowników (rysunek 1) wykorzystuje jednak rdzeń z azotku krzemu, którego nieliniowość można dynamicznie modyfikować za pomocą strukturalnych wzorców światła. Kiedy na urządzenie rzucane jest strukturalne, programujące światło, tworzy ono specyficzne wzory nieliniowości optycznej, które określają funkcję urządzenia. Różne wzory światła umożliwiają różne nieliniowo-optyczne funkcje, a wszystko to w tym samym fizycznym chipie, w sposób umożliwiający szybką rekonfigurację.
Korzystając z tego nowego urządzenia, badacze z powodzeniem zademonstrowali dowolne kształtowanie impulsów, szeroko przestrajalne generowanie drugiej harmonicznej, holograficzne generowanie światła o strukturze przestrzenno-spektralnej oraz odwrotne projektowanie nieliniowo-optycznych funkcji w czasie rzeczywistym w sposób odporny na błędy produkcyjne i dryfty środowiskowe.
Aby zapoznać się z analizą tego eksperymentu i jego wyników, przeczytaj wpis na blogu Yanagimoto „Demonstrating Programmable, On-Chip Nonlinear Photonics Transcending the One-Device-One-Function Paradigm”.
Międzybranżowe oddziaływanie zaawansowanych technologii fotonicznych
Według IDTechEx przewiduje się, że rynek technologii fotonicznych układów scalonych odnotuje znaczny wzrost w ciągu następnej dekady i do 2035 r. osiągnie przychody przekraczające 50 miliardów dolarów (na różnych rynkach, w tym transmisji danych, telekomunikacji 5G, technologii kwantowej, czujników i LiDAR).
Technologie opracowane w ramach tej pracy mogą rozwiązać kilka głównych przeszkód, przed którymi stoi przemysł fotoniczny w porównaniu z konwencjonalnymi podejściami, takich jak:
- Redukcja kosztów: Zamiast produkować wiele wyspecjalizowanych urządzeń, firmy mogą wyprodukować pojedynczy programowalny układ scalony, który spełnia wiele funkcji, potencjalnie zmniejszając koszty badań i rozwoju oraz produkcji o rzędy wielkości.
- Większa wydajność: Możliwość zaprogramowania funkcjonalności po wyprodukowaniu oznacza, że urządzenia można korygować pod kątem niedoskonałości produkcyjnych, co radykalnie poprawia wydajność produkcji. Jest to niezbędne do budowy wielkoskalowego obwodu optycznego, w którym wymagania dotyczące wydajności są wykładniczo rygorystyczne.
- Przestrzeń i efektywność energetyczna: Pojedyncze urządzenia wykonujące wiele funkcji zmniejszają zajmowaną powierzchnię i złożoność systemów optycznych.
Technologia ta jest szczególnie obiecująca na kilku szybko rozwijających się rynkach, w tym na rynkach obliczeń kwantowych, ponieważ programowalne kwantowe przetwornice częstotliwości i kwantowe źródła światła mogłyby umożliwić bardziej elastyczne architektury obliczeniowe i ulepszone możliwości tworzenia sieci kwantowych. W telekomunikacji szeroko przestrajalne źródła światła i generatory przebiegów arbitralnych mogłyby ulepszyć infrastrukturę 5G i 6G oraz systemy komunikacji optycznej.
Inne praktyczne przypadki zastosowania obejmują zaawansowaną produkcję i obrazowanie, w których programowalne, strukturalne źródła światła mogłyby zapewnić większą precyzję i możliwości adaptacji. Ponadto instrumentarium naukowe mogłoby na tym zyskać, ponieważ systemy optyczne z możliwością rekonfiguracji w czasie rzeczywistym mogą ulepszyć sprzęt laboratoryjny i urządzenia pomiarowe.
Patrząc w przyszłość
Istnieje kilka możliwych kierunków, w jakich może rozwijać się ta praca. Po pierwsze, techniki opracowane w tej pracy można wykorzystać do „wzmacniania” programowalnych nieliniowości w szerokiej gamie istniejących urządzeń fotonicznych, konstruując nowe funkcje, wykorzystując ich wzajemne oddziaływanie z oryginalnymi funkcjami. Po drugie, w pracy tej wykorzystano stosunkowo niezbadany efekt fizyczny — nieliniowość wywołaną polem elektrycznym — w celu realizacji programowalnej nieliniowości, ale jego pełny potencjał pozostaje nieznany; dalsze poszukiwania materiałów na tym froncie mogłyby znacznie rozszerzyć zakres tej technologii. Wreszcie demonstracje w niniejszej pracy ograniczyły się do klasycznych funkcji nieliniowo-optycznych. Demonstracja programowalnych funkcji kwantowych miałaby znaczący wpływ na tę dziedzinę.
Laboratorium NTT Research PHI zajmuje się badaniem obliczeń w ramach podstawowych zasad fizyki kwantowej i nauk o mózgu, jednocześnie opracowując zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie. Praca ta pokazała, że fotonika nieliniowa może stać się znacznie bardziej skalowalna, elastyczna i programowalna, niż zwykliśmy sądzić.