Geçtiğimiz birkaç on yıl boyunca araştırmacılar, her türlü bilimsel ve endüstriyel uygulamayı mümkün kılmak için ışıktan yararlanma konusunda hızlı ilerleme kaydettiler. Muazzam derecede doğru saatlerin yaratılmasından, veri merkezleri arasında dolaşan petabaytlarca bilginin işlenmesine kadar, ışığı güvenilir bir şekilde üretip işleyebilen anahtar teslimi teknolojilere olan talep, yüz milyarlarca dolar değerinde küresel bir pazar haline geldi.
Bilim adamlarını engelleyen zorluklardan biri, bir çipe sığan ve mevcut donanımla entegrasyonu çok daha kolay hale getiren kompakt bir ışık kaynağının yaratılmasıydı. Özellikle, araştırmacılar uzun süredir lazer ışığının bir rengini ek renklerden oluşan bir gökkuşağına dönüştürebilen çipler tasarlamaya çalışıyorlar; bu, belirli türden kuantum bilgisayarların oluşturulması ve frekans veya zamanın hassas ölçümlerinin yapılması için gerekli bir bileşen.
Şimdi, JQI’deki araştırmacılar, ışığın bir rengini güvenilir bir şekilde üçlü tonlara dönüştüren yeni çipler tasarladı ve test etti. Dikkat çekici bir şekilde, çiplerin tümü herhangi bir aktif girdi veya özenli bir optimizasyon olmadan çalışıyor; bu, önceki yöntemlere göre büyük bir gelişme. Ekip sonuçlarını dergide açıkladı Bilim 6 Kasım 2025’te.
Yeni çipler, ışığın kuantum parçacıkları olan bireysel fotonları koruyabilen fotonik cihazların örnekleridir. Fotonik cihazlar, tıpkı elektronik cihazların elektron akışını manipüle ettiği gibi, foton akışlarını böler, yönlendirir, güçlendirir ve müdahale eder.
Aynı zamanda Minta Martin elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü ve Maryland Üniversitesi’nde fizik profesörü olan JQI Üyesi Mohammad Hafezi, “Entegre fotoniği çip üstü ışık kaynağı olarak kullanmanın önündeki en büyük engellerden biri, çok yönlülük ve tekrarlanabilirlik eksikliğidir” diyor. “Ekibimiz bu sınırlamaların üstesinden gelme yolunda önemli bir adım attı.”
Fotonik çipler nasıl yeni renkler yaratıyor?
Yeni fotonik cihazlar basit prizmalardan çok daha fazlasıdır. Bir prizma çok renkli ışığı bileşen renklerine veya frekanslarına ayırırken, bu çipler gelen ışıkta bulunmayan tamamen yeni renkler ekler. Doğrudan bir çip üzerinde yeni ışık frekansları üretebilmek, normalde ek lazerlerin kaplayacağı alan ve enerjiden tasarruf sağlar. Ve belki daha da önemlisi, çoğu durumda yeni üretilen frekanslarda parlayan lazerler bile mevcut değil.
Bir çip üzerinde yeni ışık frekansları üretme yeteneği, araştırmacıların onlarca yıldır tasarlamayı öğrendiği özel etkileşimleri gerektirir. Normalde, ışık ile fotonik cihaz arasındaki etkileşimler doğrusaldır; bu, ışığın bükülebileceği veya emilebileceği ancak frekansının değişmeyeceği (bir prizmada olduğu gibi) anlamına gelir. Buna karşılık, ışık cihazın davranışını değiştirecek kadar yoğun bir şekilde yoğunlaştığında doğrusal olmayan etkileşimler meydana gelir ve bu da ışığı değiştirir. Bu geri bildirim, çipin çıkışından toplanabilecek ve ölçüm, senkronizasyon veya çeşitli başka görevler için kullanılabilen farklı frekanslardan oluşan bir grup oluşturabilir.
Ne yazık ki doğrusal olmayan etkileşimler genellikle çok zayıftır. Doğrusal olmayan bir optik sürecin ilk gözlemlerinden biri 1961’de bildirildi ve o kadar zayıftı ki, yayın sürecine dahil olan biri anahtar verileri bir leke sanıp makaledeki ana figürden çıkardı. Bu leke, daha düşük frekanstaki iki fotonun, iki kat frekanslı bir fotona dönüştürüldüğü ikinci harmonik oluşumun incelikli imzasıydı. İlgili süreçler gelen ışığın frekansını üç katına, dört katına vb. çıkarabilir.
İkinci harmonik neslin ilk gözleminden bu yana bilim insanları, fotonik cihazlardaki doğrusal olmayan etkileşimlerin gücünü artırmanın yollarını keşfettiler. Orijinal gösteride, tekniğin durumu, kristalin doğal elektriksel özelliklerinden yararlanarak bir kuvars parçası üzerine basitçe bir lazer ışınlamaktı. Günümüzde araştırmacılar, fotonik rezonatörlerle özel olarak tasarlanmış titizlikle tasarlanmış çiplere güveniyorlar. Rezonatörler ışığı sıkı döngülerle yönlendirerek, serbest bırakılmadan önce yüzbinlerce veya milyonlarca kez dolaşmasını sağlar. Bir rezonatördeki her bir yolculuk zayıf, doğrusal olmayan bir etkileşim ekler, ancak birçok yolculuk birleşerek çok daha güçlü bir etki oluşturur. Ancak tek bir rezonatör kullanarak belirli bir dizi yeni frekans üretmeye çalışırken hâlâ bazı ödünler var.
Frekansları eşleştirmenin zorluğu
Makalenin baş yazarı ve JQI’de eski bir doktora sonrası araştırmacı olan ve şu anda MIT’de araştırma bilimcisi olan Mahmoud Jalali Mehrabad, “Eş zamanlı olarak ikinci harmonik üretimi, üçüncü harmonik üretimi, dördüncü harmoniği elde etmek istiyorsanız, bu giderek zorlaşır” diyor. “Genellikle telafi edersiniz veya iyi bir üçüncü harmonik üretimi elde etmek için bunlardan birini feda edersiniz, ancak ikinci harmonik üretimi elde edemezsiniz veya tam tersi.”
Hafezi ve JQI Üyesi Kartik Srinivasan, Maryland Üniversitesi’nden (UMD) Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü Yanne Chembo ile birlikte, bu ödünleşimlerin bazılarından kaçınmak amacıyla, daha önce hepsi birlikte çalışan küçük rezonatörlerden oluşan bir yığın kullanarak doğrusal olmayan etkileri artırmanın yollarına öncülük etmişti. Daha önceki çalışmalarında, bir rezonatör dizisi halinde düzenlenmiş yüzlerce mikroskobik halkadan oluşan bir çipin, doğrusal olmayan etkileri nasıl güçlendirebildiğini ve ışığı kendi kenarı etrafında nasıl yönlendirebildiğini göstermişlerdi. Geçen yıl, böyle bir ızgaraya sahip bir çipin, atımlı bir lazeri, her türlü yüksek hassasiyetli ölçüm için kullanılan, eşit aralıklı birçok frekansa sahip, iç içe geçmiş bir frekans tarağına dönüştürebildiğini gösterdiler. Bununla birlikte, aradıkları hassas frekans tarağını oluşturmak için doğru şekle sahip çipleri tasarlamak birçok kez tekrarlandı ve çiplerinden yalnızca bazıları gerçekten işe yaradı.
Çiplerin yalnızca bir kısmının çalıştığı gerçeği, doğrusal olmayan cihazlarla çalışmanın çıldırtıcı vur-kaç doğasının bir göstergesidir. Fotonik çip tasarlamak, frekansın iki katına çıkması gibi bir etki yaratmak için birçok şeyin dengelenmesini gerektirir. İlk olarak, ışığın frekansını iki katına çıkarmak için doğrusal olmayan bir rezonatörün hem orijinal frekansı hem de iki katına çıkan frekansı desteklemesi gerekir. Tıpkı kopmuş bir gitar telinin yalnızca belirli tonlarda uğultu yapması gibi, bir optik rezonatör de yalnızca boyutuna ve şekline göre belirlenen belirli frekanslara sahip fotonları barındırır. Ancak bu frekansların kilitlendiği bir rezonatör tasarladığınızda, bunların rezonatörün etrafında aynı hızda dolaştıklarından da emin olmalısınız. Aksi takdirde birbirleriyle senkronizasyonları bozulacak ve dönüşümün verimliliği düşecektir.
Bu gereksinimler hep birlikte frekans-faz eşleştirme koşulları olarak bilinir. Yararlı bir cihaz üretmek için araştırmacıların her iki koşulun da eş zamanlı olarak eşleştirilmesi gerekiyor. Ne yazık ki, çipten çipe nanometre büyüklüğündeki küçük farklılıklar (dünyadaki en iyi çip üreticilerinin bile önleyemeyeceği), rezonans frekanslarını biraz değiştirecek veya dolaşım hızlarını değiştirecek. Bu küçük değişiklikler, çipteki ince ayarlı parametrelerin silinmesine ve tasarımın seri üretim için işe yaramaz hale gelmesine yetiyor.
Yazarlardan biri bu durumu bir güneş tutulmasını fark etme olasılığıyla karşılaştırdı. JQI’de fizik alanında yüksek lisans öğrencisi ve yardımcı yazarlardan biri olan Lida Xu, “Tutulmayı gerçekten görmek istiyorsanız, bu, gökyüzüne baktığınızda ayın güneşle örtüşmesi gerektiği anlamına gelir” diyor. Fotonik çiplerden güvenilir, doğrusal olmayan etkiler elde etmek, benzer türden bir tesadüfi karşılaşmayı gerektirir.
Frekans-faz eşleştirme koşullarındaki küçük yanlış hizalamalar, bir rezonatörün malzeme özelliklerini ayarlayan aktif dengeleme ile aşılabilir. Ancak bu, küçük gömülü ısıtıcılar kurmayı gerektirir; bu, hem tasarımı zorlaştıran hem de ayrı bir güç kaynağı gerektiren bir çözümdür.
İki zaman ölçekli rezonatör dizileriyle çığır açan buluş
Yeni çalışmada Xu, Mehrabad ve meslektaşları, önceki çalışmalarda kullanılan rezonatör dizisinin, frekans-faz eşleştirme koşullarını pasif bir şekilde, yani herhangi bir aktif dengeleme veya çok sayıda tasarım turu kullanmadan karşılama şansını zaten artırdığını keşfettiler. Yaratmak istedikleri kesin frekansları tasarlamaya çalışmak ve işe yarayan bir tane elde etme umuduyla çipin tasarımını yinelemek yerine, geri adım attılar ve rezonatör dizisinin tüm çipler üzerinde herhangi bir kararlı doğrusal olmayan etki üretip üretmediğini değerlendirdiler. Kontrol ettiklerinde, çiplerinin gelen ışık için yaklaşık 190 THz frekansında (telekomünikasyon ve fiber optik iletişimde kullanılan standart bir frekans) ikinci, üçüncü ve hatta dördüncü harmonikler ürettiğini gördüklerinde hoş bir sürpriz yaşadılar.
Ayrıntılara daldıkça, tüm çiplerinin çalışmasının nedeninin rezonatör dizisinin yapısıyla ilgili olduğunu fark ettiler. Işık, dizideki küçük halkaların etrafında hızlı bir şekilde dolaştı ve bu da hızlı bir zaman ölçeği belirledi. Ancak aynı zamanda tüm küçük halkaların oluşturduğu bir “süper halka” da vardı ve ışık onun etrafında daha yavaş dolaşıyordu. Çipte bu iki zaman ölçeğinin bulunması, daha önce takdir etmedikleri frekans-faz eşleştirme koşulları üzerinde önemli bir etkiye sahipti. Belirli bir frekans-faz eşleştirme koşulunu düzenlemek için titiz tasarıma ve aktif dengelemeye güvenmek yerine, iki zaman ölçeği, araştırmacılara gerekli etkileşimleri beslemek için birden fazla çekim sağlar. Başka bir deyişle, iki zaman ölçeği esas olarak frekans-faz eşleşmesini ücretsiz olarak sağlar.
Araştırmacılar, standart 190 THz frekanslı lazer ışığı göndererek, bir çipi yukarıdan görüntüleyerek ve bir çıkış portundan çıkan frekansları analiz ederek aynı plaka üzerinde üretilen altı farklı çipi test etti. Her çipin aslında ikinci, üçüncü ve dördüncü harmonikleri ürettiğini buldular; bu harmonikler, giriş lazerleri için kırmızı, yeşil ve mavi ışıktı. Ayrıca üç adet tek halkalı cihazı da test ettiler. Aktif kompanzasyon sağlamak için gömülü ısıtıcıların dahil edilmesine rağmen, dar bir ısıtıcı sıcaklığı ve giriş frekansı aralığında yalnızca bir cihazdan ikinci harmonik üretimi gördüler. Buna karşılık, iki zaman ölçekli rezonatör dizilerinin aktif telafisi yoktu ve nispeten geniş bir giriş frekansı aralığında çalışıyordu. Araştırmacılar, giriş ışıklarının yoğunluğunu artırdıkça çiplerin, daha önceki bir sonuçta oluşturulan iç içe geçmiş frekans tarağını anımsatan, her bir harmonik çevresinde daha fazla frekans üretmeye başladığını bile gösterdi.
Fotonik ve gelecekteki araştırmalar için çıkarımlar
Yazarlar, çerçevelerinin entegre fotoniklerin halihazırda kullanılmakta olduğu alanlar için, özellikle de metroloji, frekans dönüşümü ve doğrusal olmayan optik hesaplamada geniş etkileri olabileceğini söylüyor. Ve bunların hepsini, frekans-faz eşleştirme koşullarını karşılamak için aktif ayarlama veya hassas mühendislik zahmetine gerek kalmadan yapabilir.
Mehrabad, “Eş zamanlı olarak bu uyum sorunlarını büyük ölçüde ve aynı zamanda pasif bir şekilde gevşettik” diyor. “Isıtıcılara ihtiyacımız yok; ısıtıcılarımız yok. Sadece çalışıyorlar. Uzun süredir devam eden bir sorunu çözüyor.”
Mehrabad, Hafezi, Srinivasan (aynı zamanda Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü Üyesi), Chembo ve Xu’ya ek olarak makalenin birkaç yazarı daha vardı: JQI’de yardımcı araştırma bilimcisi olan Gregory Moille; JQI’de eski bir yüksek lisans öğrencisi olan ve şu anda Deniz Araştırma Laboratuvarı’nda araştırmacı olan Christopher Flower; JQI’de fizik alanında yüksek lisans öğrencisi olan Supratik Sarkar; JQI’de fizik alanında yüksek lisans öğrencisi olan Apurva Padhye; JQI’de fizik alanında yüksek lisans öğrencisi olan Shao-Chien Ou; Eski bir JQI doktora sonrası araştırmacısı olan ve şu anda Baltimore County Maryland Üniversitesi’nde fizik alanında yardımcı doçent olan Daniel Suarez-Forero; ve JQI’de doktora sonrası araştırmacı olan Mehdi Ghafariasl.
