Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) США создали новый тип фотонного чипа размером с ноготь, способный генерировать лазерные лучи всех цветов радуги. Этот чип обрабатывает свет подобно тому, как традиционные чипы обрабатывают электроны, объединяя лазеры, излучающие свет различных длин волн, на одном кристалле, что создает своего рода «интегральную схему» для света. Ожидается, что эта разработка придаст новый импульс таким передовым технологиям, как искусственный интеллект, квантовые вычисления и оптические атомные часы. Соответствующая научная статья опубликована в новом номере журнала Nature.
В настоящее время качественные, компактные и эффективные лазеры зачастую способны излучать лишь несколько длин волн. Например, полупроводниковые лазеры хорошо генерируют инфракрасный свет с длиной волны 980 нанометров. Однако такие технологии, как оптические атомные часы и квантовые компьютеры, требуют источников света самых разных цветов. Традиционные лазеры, способные создавать такое разнообразие, являются громоздкими, дорогими и чрезвычайно энергоемкими.
Созданный на этот раз новый фотонный чип напоминает изящный многослойный торт. Команда использовала в качестве основы стандартную кремниевую пластину, покрытую диоксидом кремния (стеклом) и ниобатом лития — нелинейным оптическим материалом, способным изменять цвет проходящего через него света. Затем на него были нанесены металлические электроды, позволяющие с помощью электрического поля превращать свет одного цвета в другой. Команда также создала другие интерфейсы между металлом и ниобатом лития, что позволило осуществлять быструю коммутацию и регулировку световых сигналов внутри чипа — ключевую способность для обработки данных и высокоскоростной маршрутизации. Самым же очаровательным «сахарным покрытием» этого торта стал второй нелинейный материал — пентаоксид тантала. Он обладает своего рода «волшебством»: поглощая лазер одного цвета, он способен «выдавать» лазерное излучение множества цветов радуги.
Путем трехмерной укладки различных материалов команда создала фотонный чип, способный эффективно переносить свет между слоями. Внутри каждого такого чипа содержится десятки тысяч фотонных контуров, каждый из которых способен выдавать уникальный цвет.
Помимо применения в квантовых компьютерах и оптических часах, такие фотонные чипы могут создать высокоскоростные каналы для передачи сигналов между специализированными чипами, делая инструменты искусственного интеллекта все более мощными и эффективными.