Na década de 1960, os físicos mostraram como a luz poderia interagir consigo mesma de maneiras intrigantes, graças a um processo conhecido como geração de segunda harmônica. No tipo certo de material, dois fótons de uma certa frequência podem interagir para produzir outro fóton de duas vezes a frequência, transformando a luz vermelha em verde, por exemplo. Desde então, os físicos exploraram essas ópticas não lineares em técnicas que variam da medição de precisão à computação quântica.
No entanto, um desafio persistente permaneceu. Os dispositivos ópticos não lineares devem ser criados com uma função única e imutável determinada durante a fabricação. E isso limita sua utilidade e função.
Agora que parece mudar graças ao trabalho de Ryotatsu Yanagimoto na Universidade de Cornell, em Ithaca, e colegas, que lançaram um chip fotônico programável que prometeu remodelar a ciência óptica e a tecnologia que ela permite.
Luz esculpida
Um processo-chave na óptica não linear é a correspondência de fases-a capacidade de sincronizar duas ondas leves diferentes para mantê-las em fase. Os materiais comuns geralmente não permitem isso em seu estado bruto e, portanto, devem ser cuidadosamente “esculpidos” através de processos complexos de nanofabricação.
Um exemplo é aumentar os padrões de material semicondutor na superfície para formar uma grade que força a luz de um certo comprimento de onda para interagir de maneira não linear. Isso permite que a luz do laser interaja com os elétrons dentro do material de uma maneira não linear que mantém suas fases em sincronia. Isso é conhecido como efeito χ (2).
No entanto, esse padrão é fixo, assim como o tipo de interação que o material permite e quaisquer aplicações em potencial.
Yanagimoto e a avanço de CO contorna essas limitações. Eles encontraram uma maneira de induzir os mesmos tipos de alterações em um material usando um campo de luz externo. Portanto, ao transmitir um padrão de luz sobre o material, ele pode criar o mesmo tipo de efeito χ (2).
Esse mecanismo engenhoso permite que a equipe crie grades versáteis de correspondência de fases que são personalizáveis em tempo real. “Isso nos permitiu criar perfis de luz espacial distintos em vários comprimentos de onda”, diz a equipe.
A mecânica subjacente envolve um guia de ondas de laje composto por um núcleo de nitreto de silício, uma camada de nitreto de silício fotocondutiva e um eletrodo de óxido de lata de índio. Quando iluminado pela luz estruturada do laser verde, a camada fotocondutora se torna localmente condutora, induzindo uma não linearidade programável.
Em uma demonstração, Yanagimoto e CO usaram a técnica para soletrar o nome “Cornell” sob luz de segunda harmônica ao longo do tempo. Eles conseguiram isso usando iluminação estruturada na camada fotocondutiva, ativando seletivamente a não linearidade induzida por campo elétrico na superfície do chip. Quando a tensão de polarização foi aplicada, essas regiões iluminadas se tornaram ativas, gerando uma segunda luz harmônica com o dobro da frequência do feixe de laser de entrada, mas modulada ao longo do tempo de uma maneira que explicou o nome da universidade.
Essa adaptabilidade deve abrir as comportas para várias aplicações. Por exemplo, chips fotônicos não lineares programáveis podem permitir arquiteturas sofisticadas de computação quântica, permitindo que um único dispositivo execute vários portões quânticos ou gerar estados quânticos adaptados a tarefas computacionais específicas.
Os chips também prometem avanços significativos nas comunicações ópticas clássicas, permitindo processamento de sinal totalmente óptico ultra-rápido e computação óptica reconfigurável. “Nosso trabalho mostra que podemos transcender o paradigma convencional de um dispositivo-uma função”, diz Yanagimoto e companhia.
A equipe também desenvolveu técnicas de feedback em tempo real que lhes permitem produzir pequenas mudanças na saída, conforme necessário. Isso lhes permite abordar um dos problemas de longa data com as técnicas ópticas não lineares tradicionais: imperfeições de fabricação. Os componentes tradicionais são notoriamente sensíveis a pequenas imperfeições que podem afetar drasticamente o desempenho. Mas a adaptabilidade em tempo real evita esse desafio, compensando dinamicamente essas variações, aumentando bastante a confiabilidade e o rendimento.
Aplicações práticas
O dispositivo da equipe de Cornell ainda está em um estágio inicial de desenvolvimento. Sua força de não linearidade atual, embora modesta, pode potencialmente ser aumentada em um fator de dez ou até cem através de refinamentos de engenharia adicionais, dizem Yanagimoto e colegas. Tais melhorias devem ajudar a impulsionar essa tecnologia do banco de laboratório ao uso prático.
Refletindo sobre sua conquista, Yanagimoto e CO dizem que o trabalho abre caminho para um futuro em que os dispositivos ópticos não são apenas condutitos passivos, mas participantes ativos, respondendo dinamicamente às demandas de seus ambientes e usuários. Esse desenvolvimento significa uma nova era na óptica, em que a adaptabilidade e a programação são fundamentais e não excepcionais.
Ref: Fotônicas não lineares programáveis no chip: arxiv.org/abs/2503.19861