Cornell araştırmacıları, yeni renkler için yeni bir çip gerektirmeden, fotonları birleştirerek ışığın rengini değiştirebilen programlanabilir bir optik çip geliştirdiler.
Doğrusal olmayan fotoniklerin bu biçimi potansiyel olarak klasik ve kuantum iletişim ağları, tüm optik sinyal işleme ve hesaplama, spektroskopi ve algılama için kullanılabilir.
Projeyi yöneten Cornell Engineering uygulamalı ve mühendislik fiziği doçentlerinden Peter McMahon, “Daha önce üretmek istediğiniz her renk kombinasyonu için farklı tasarıma sahip yeni bir cihaz üretmeniz gerekiyordu” dedi. “Artık istediğiniz dönüşümleri yeniden programlanabilir bir şekilde yapmanızı sağlayan bir tür evrensel cihaza sahibiz.”
Bulgular şu adreste yayınlanıyor: Doğa. Makalenin ilk yazarı, McMahon Laboratuvarı’nda eski bir doktora sonrası araştırmacı ve NTT Research’ten misafir bilim insanı olan Ryotatsu Yanagimoto’dur.
Doğrusal optik rejiminde fotonların frekansı yani rengi değişmez ve fotonlar birbirini görmezden gelme eğilimindedir. Gözlüklerden cep telefonu ekranlarına kadar insanların günlük hayatta karşılaştığı optiklerin çoğu bu kategoriye girmektedir.
Ancak doğrusal olmayan optikte fotonlar birbirleriyle etkileşime girer ve frekansı değiştirebilir. Enerjinin korunumu yasalarıyla sınırlanan yüksek enerjili bir foton, yarı enerjiyle iki fotona dönüştürülebilir. Tersine, doğrusal olmayan bir optik ortamdaki iki düşük enerjili foton, bir yüksek enerjili foton halinde birleştirilebilir. McMahon’un ekibi çipleriyle ikincisinin çeşitli gösterilerini gerçekleştirdi.
Bunu başarmak için iki kavramı birleştirdiler. Bunlardan ilki, yüksek voltajlı problar aracılığıyla çipin üzerine büyük bir elektrik alanı uygulamak ve normalde buna izin vermeyen bir malzemede frekans dönüşümlerini mümkün kılmaktı. İkinci fikir, 20 yıl önce tamamen farklı bir bilimsel alandan geldi; araştırmacılar, cihazın elektrik alanı dağılımını programlamak için desenli bir ışık alanı kullanarak biyolojik hücreleri manipüle edebilen bir cihaz geliştirdiler.
McMahon’un grubundaki bir başka eski doktora sonrası araştırmacı olan ortak yazar Logan Wright, aynı yaklaşımın programlanabilir fotonik cihazlar yapmak için uyarlanabileceğini fark etmişti.
McMahon, “Bu iki tekniği birleştirerek, bir malzemeyi bazı bölgelerde doğrusal olmayan, diğer bölgelerde ise doğrusal olmayan hale getirecek şekilde kontrol edebildik” dedi. “Ve doğrusal olmayan optik teorisinden, hangi renklerin çıkacağını kontrol etmek istiyorsanız, uzayın bir fonksiyonu olarak kristalin doğrusal olmama durumunu bu tür bir şekilde kontrol edebilmeniz gerektiği ortaya çıkıyor.”
Cihazın çekirdeği, ışığın yukarı veya aşağı değil, yalnızca yan yana hareket edebildiği düzlemsel şekilli bir kristal levhadır. Araştırmacılar bu sözde levha dalga kılavuzuna lazer ışığı gönderdiler ve çipten çıkan farklı renklere sahip ışık üretmek için farklı renkli fotonların nasıl birleştirilebileceğini kontrol edebildiler.
Ekip, cihazı Duffield Hall’daki Cornell NanoScale Bilim ve Teknoloji Tesisi’nde (CNF) yaptı; ikinci yazar Benjamin Ash ’26, imalat sürecinin tasarlanması, cihazların oluşturulması ve test edilmesinde önemli bir rol oynadı.
McMahon, cihazın prensip kanıtını gösteren bir gösteri olmaya devam etmesine rağmen, dönüşüm verimlilikleri yeterince yükseğe itilirse, programlanabilir doğrusal olmayan optiklerde, yeni ışık kaynakları yapmaktan optik ağ oluşturmaya kadar bir dizi fırsatın önünü açabileceğini söyledi.
McMahon, “Artık optik ağlarda, insanlar bilgisayarlar arasında bilgi iletişimi sağlamak için sıklıkla aynı fiber parçası içindeki farklı ışık renklerini kullanıyor. Bizim türdeki cihaz, fiberin her iki ucunda da ışığın dalga boylarını yeniden programlanabilir bir şekilde değiştirmenize izin veren güzel bir yapı taşı olabilir” dedi.
“Ayrıca, farklı renklere sahip doğal olarak fotonlar yayan kuantum bitlerini arayüzeyleyebilmek istediğimiz kuantum ağlarında da bunun için güçlü bir argüman var. Bu ışığı, farklı bir kuantum bitinin doğal dalga boyuna olduğu kadar telekom bandına da dönüştürebilmek istiyoruz. Tüm bunların tek bir pakette mümkün olduğu bir cihaza sahip olmak, bunun yararlı bir araç olacağını hissettiriyor.”
