Создан программируемый оптический чип, меняющий цвет света

Иллюстрация принципа работы программируемого нелинейного волновода. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09620-9

Исследователи из Корнеллского университета создали программируемый оптический чип, способный изменять цвет света путем объединения фотонов. В отличие от предыдущих разработок, для получения новых цветов теперь не требуется создавать новый чип.

Эта технология нелинейной фотоники может найти применение в классических и квантовых коммуникационных сетях, полностью оптической обработке сигналов и вычислениях, спектроскопии и сенсорике.

«Ранее для каждой комбинации цветов, которую вы хотели получить, требовалось создавать новое устройство с другой конструкцией, — пояснил Питер МакМахон, доцент кафедры прикладной и инженерной физики Корнеллского инженерного колледжа. — Теперь у нас есть универсальное устройство, которое позволяет программируемо выполнять любые преобразования».

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

В линейной оптике частота (цвет) фотонов не меняется, и фотоны практически не взаимодействуют друг с другом. Однако в нелинейной оптике фотоны взаимодействуют и могут изменять частоту. Два фотона с меньшей энергией в нелинейной оптической среде могут объединиться в один фотон с более высокой энергией.

Команда МакМахона объединила два подхода: применение сильного электрического поля через высоковольтные зонды для включения преобразований частоты в материале, и адаптацию метода программируемого распределения электрического поля, ранее использовавшегося для манипуляции биологическими клетками.

«Комбинируя эти две техники, мы смогли управлять материалом, делая его нелинейным в одних областях и линейным в других, — объяснил МакМахон. — Оказалось, что для контроля получаемых цветов необходимо именно такое пространственное управление нелинейностью кристалла».

Основой устройства является плоский кристаллический волновод, в котором свет распространяется только в горизонтальной плоскости. Исследователи направляли лазерный свет в этот волновод и могли контролировать, как фотоны разных цветов объединяются для получения света с новыми цветами на выходе из чипа.

Хотя устройство пока является демонстрацией принципа, МакМахон считает, что при повышении эффективности преобразования оно откроет новые возможности в программируемой нелинейной оптике — от создания новых источников света до оптических сетей.

«В оптических сетях часто используют свет разных цветов внутри одного волокна для передачи информации между компьютерами. Наше устройство могло бы стать полезным компонентом на обоих концах волокна, позволяя программируемо изменять длины волн света», — отметил ученый.

Технология также перспективна для квантовых сетей, где необходимо преобразовывать фотоны разных цветов, испускаемых кубитами, в телекоммуникационный диапазон и обратно.