Ключевым процессом в нелинейной оптике является фазовое согласование – способность синхронизировать две различные световые волны, чтобы они находились в фазе. Обычные материалы, как правило, не позволяют этого сделать в сыром виде, поэтому их приходится тщательно «скульптурировать» с помощью сложных процессов нанофабрикации.

Один из примеров – выращивание узоров из полупроводникового материала на поверхности для формирования решетки, которая заставляет свет определенной длины волны взаимодействовать нелинейным образом. Это позволяет лазерному свету взаимодействовать с электронами внутри материала нелинейным способом, который поддерживает синхронизацию их фаз. Это известно как Критерий согласия Пирсона или критерий согласия χ².

Однако эта закономерность фиксирована, как и тип взаимодействий, которые допускает материал, и возможные области применения.

Прорыв Янагимото и соавторов позволяет обойти эти ограничения. Они нашли способ вызывать те же изменения в материале с помощью внешнего светового поля. Так, направив на материал луч света, можно создать тот же самый эффект χ².

Этот оригинальный механизм позволяет команде создавать универсальные фазово-согласующие решетки, которые можно настраивать в режиме реального времени. «Это позволило нам создавать различные пространственные профили света в нескольких диапазонах длин волн», – считают авторы.

В основе механики лежит пластинчатый волновод, состоящий из сердцевины из нитрида кремния, фотопроводящего слоя из нитрида кремния с высоким содержанием кремния и электрода из оксида индия-олова. При освещении структурированным зеленым лазерным светом фотопроводящий слой становится локально проводящим, вызывая программируемую нелинейность.

В одной из демонстраций Янагимото и соавторы использовали эту методику для написания названия «Cornell» во второгармоническом свете с течением времени. Они добились этого, используя структурированное освещение фотопроводящего слоя, избирательно активируя нелинейность, вызванную электрическим полем, по всей поверхности чипа. Когда подавалось напряжение смещения, эти освещенные области становились активными, генерируя второгармоническое излучение с частотой, вдвое превышающей частоту входного лазерного луча, но модулированное во времени таким образом, что на нем можно было написать название университета.

Такая адаптивность должна открыть возможности для различных применений. Например, программируемые нелинейные фотонные чипы могут создать сложные архитектуры квантовых вычислений, позволяющие одному устройству выполнять несколько квантовых вентилей или генерировать квантовые состояния, адаптированные к конкретным вычислительным задачам.

Такие чипы также обещают значительный прогресс в классических оптических коммуникациях, позволяя осуществлять сверхбыструю полностью оптическую обработку сигналов и реконфигурируемые оптические вычисления. «Наша работа показывает, что мы можем выйти за рамки традиционной парадигмы „одно устройство – одна функция“», – считают Янагимото и соавторы.

Команда также разработала методы обратной связи в реальном времени, которые позволяют им производить небольшие изменения выходного сигнала по мере необходимости. Это позволяет им решить одну из давних проблем традиционных нелинейно-оптических технологий: несовершенство изготовления. Традиционные компоненты, как известно, чувствительны к мелким недостаткам, которые могут сильно повлиять на производительность. Но адаптивность в реальном времени позволяет решить эту проблему, динамически компенсируя эти отклонения, что значительно повышает надежность и производительность.