OPO: hoe een kristal licht in twee kleuren splitst
Stel je een prisma voor dat wit licht uit elkaar trekt in een regenboog. Een OPO, voluit Optical Parametric Oscillator (optische parametrische oscillator), doet iets vergelijkbaars maar dan veel gerichter: het stopt één laserstraal van een vaste kleur in een speciaal kristal, en er komen twee nieuwe laserstralen uit met andere, instelbare kleuren. Geen mengsel van kleuren zoals bij het prisma, maar twee scherp gedefinieerde nieuwe lichtbundels die je vrij kunt afstemmen — bijna zoals een radio die je van zender kan laten wisselen, maar dan voor lichtgolflengtes.
Dat klinkt als een nichetruc voor natuurkundigen, en lange tijd was het dat ook. Maar dezelfde kristallen die licht kunnen "splitsen" blijken de afgelopen tien jaar een verrassende tweede carrière te krijgen: als bouwsteen voor een nieuw soort rekenmachine die bepaalde optimalisatieproblemen razendsnel kan aanpakken, en als hulpmiddel in opkomende vormen van kwantumtechnologie. Daarom duikt de term OPO steeds vaker op in artikelen over toekomsttechnologie, niet alleen in laserlabjournaals.
Wat is het precies?
Een OPO draait om een natuurkundig verschijnsel dat parametrische omzetting heet. Je stuurt een sterke laserstraal, de "pomp", een kristal in dat geen gewoon glas is maar een zogeheten niet-lineair optisch materiaal — een stof waarin licht zich bij hoge intensiteit anders gedraagt dan normaal. Veelgebruikte voorbeelden zijn lithiumniobaat en kaliumtitanylfosfaat (KTP).
In dat kristal splitst één foton (lichtdeeltje) van de pomp zich spontaan in twee nieuwe fotonen met een lagere energie elk. Omdat energie behouden moet blijven, is de energie van die twee nieuwe fotonen samen precies gelijk aan die van het oorspronkelijke pompfoton. De twee nieuwe lichtbundels heten conventioneel "signaal" en "idler". Welke twee golflengtes je krijgt, hangt af van de precieze eigenschappen van het kristal en de hoek of temperatuur waarin je het instelt — en dat is meteen de kracht van het systeem: door het kristal iets te draaien of op te warmen, stem je de uitgaande kleuren fijn af.
Het woord "oscillator" in de naam verwijst naar de opstelling eromheen: net als bij een gewone laser plaats je het kristal tussen twee spiegels, een zogeheten optische trilholte (cavity). Het licht kaatst heen en weer, wordt bij elke doorgang een beetje sterker door het parametrische proces, en zo groeit een zwak signaal uit tot een stabiele, bruikbare lichtbundel. Onder de "drempelwaarde" van pompvermogen gebeurt er niets bijzonders; erboven "springt" het systeem aan, wat later belangrijk blijkt te zijn voor de rekentoepassing.
Wat wil men ermee bereiken?
De oorspronkelijke belofte van de OPO is simpel: een instelbare lichtbron maken voor golflengtes waar gewone lasers moeilijk of duur bij kunnen. Veel materialen laten licht bij specifieke golflengtes trillen of absorberen op manieren die chemici en biologen willen bestuderen, bijvoorbeeld in het infrarood. In plaats van voor elke golflengte een aparte laser te bouwen, geeft één OPO-opstelling toegang tot een breed, continu instelbaar bereik.
De tweede, nieuwere ambitie is fundamenteel anders: rekenen met licht. Onderzoekers ontdekten dat een netwerk van gekoppelde, gepulste OPO's zich kan gedragen als een fysiek model van een lastig wiskundig probleem, het zogeheten Ising-model — een probleem dat oorspronkelijk uit de magnetisme-natuurkunde komt maar wiskundig equivalent is aan tal van praktische optimalisatievraagstukken, zoals routeplanning, portefeuilleoptimalisatie of chipontwerp. Het idee: laat de lichtpulsen zelf, via hun onderlinge koppeling, naar de laagst-energetische toestand "zakken", en lees die toestand af als de oplossing. Dat heet een coherente Ising-machine (CIM). De belofte is een vorm van versnelde, energiezuinige probleemoplossing die dichter bij kwantumcomputing aanleunt dan bij klassieke chips, zonder de extreme koeling die veel kwantumcomputers nodig hebben.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete mijlpalen laat zien hoe het veld zich ontwikkelde:
- Stanford University, 2014: de groep van natuurkundige Yoshihisa Yamamoto en collega's, waaronder Alireza Marandi, bouwde een van de eerste netwerken van gepulste, degenererende OPO's om kleine Ising-problemen op te lossen, als proof-of-concept voor optisch rekenen.
- NTT (Japan), 2016: telecombedrijf NTT presenteerde samen met Stanford een coherente Ising-machine met 2000 OPO-gebaseerde "spins" over glasvezel, gepubliceerd in Science. Dit was destijds een van de grootste optische Ising-machines ter wereld.
- NTT en NII, vervolgonderzoek 2017-2020: het Japanse National Institute of Informatics werkte met NTT verder aan grotere en snellere CIM-opstellingen en aan software (algoritmen) om echte bedrijfsproblemen, zoals verkeersroutering, erop te testen.
- Commerciële spectroscopie-OPO's: buiten het rekendomein worden kant-en-klare OPO-lasersystemen, van fabrikanten als Coherent en Continuum, al decennia gebruikt in chemische en biomedische laboratoria voor infrarood-spectroscopie en microscopie.
- Telecom-golflengteconversie: in glasvezelnetwerken worden op OPO-principes gebaseerde omzetters onderzocht om signalen van de ene naar de andere golflengte om te zetten zonder ze eerst elektronisch te hoeven verwerken.
Hoe ver is de techniek?
Als lichtbron voor spectroscopie is de OPO volwassen technologie: commercieel verkrijgbaar, betrouwbaar en in dagelijks gebruik in laboratoria wereldwijd. Daar valt weinig nieuws meer te verwachten behalve geleidelijke verbeteringen in compactheid en prijs.
Als rekentechniek staat de coherente Ising-machine nog in een experimentele, vroege fase. De grootste systemen tellen enkele duizenden "spins", en het is voor onderzoekers nog niet overtuigend aangetoond dat deze machines voor praktisch relevante probleemgroottes sneller of energiezuiniger zijn dan de beste klassieke algoritmen op gewone computers of gespecialiseerde chips (zoals FPGA's of Fujitsu's Digital Annealer). Een belangrijk obstakel is dat de voordelen sterk afhangen van het type probleem: voor sommige optimalisatietaken werkt de aanpak veelbelovend, voor andere nauwelijks beter dan klassieke methodes. Daarnaast blijft schaalvergroting complex: meer spins vereist langere glasvezellussen of grotere fotonische chips, met bijbehorende verliezen en ruis.
Onafhankelijk daarvan groeit het bredere veld van fotonische chips — geïntegreerde OPO's op chipformaat in plaats van tafelblad-opstellingen met losse spiegels — wat de techniek compacter en potentieel schaalbaarder kan maken. Dat onderzoek is actief maar nog niet uitontwikkeld tot commerciële producten buiten gespecialiseerde onderzoeksomgevingen.
Wie werken eraan?
Japan speelt een voortrekkersrol via NTT (met het onderzoekslab NTT Research en de basic-research divisie) en het National Institute of Informatics, die samen de coherente Ising-machine internationaal op de kaart zetten. In de Verenigde Staten is Stanford University, met name de vakgroepen rond Yoshihisa Yamamoto en Alireza Marandi (inmiddels aan Caltech), een centrale speler in zowel de fysica van OPO-netwerken als toepassingen in optisch rekenen.
Op het gebied van klassieke, commerciële OPO-lasersystemen zijn fabrikanten als Coherent (VS) en Continuum (VS) grote namen. In Europa dragen onderzoeksgroepen op het gebied van niet-lineaire optica, onder meer verbonden aan Franse CNRS-instituten en Duitse Max Planck-instituten, bij aan fundamenteel begrip van parametrische processen en fotonische chiptechnologie. Voor Nederlandse lezers is relevant dat instituten als AMOLF en TU-groepen in fotonica onderzoek doen dat raakvlakken heeft met niet-lineaire optica, al is grootschalig CIM-onderzoek vooral geconcentreerd in Japan en de VS.