Учёные разработали уникальную «четырёхполосную магистраль» на фотонном чипе

Новая топология использует практически весь объём материала для передачи сигналов, а не только узкие границы, что может увеличить плотность будущих оптических вычислительных и квантовых устройств

Исследователи из Китая создали фотонный чип с четырьмя независимыми каналами для передачи сигналов, в котором световые волны могут перемещаться по всей структуре, а не только по её границам.

Эта новая архитектура решает одну из ключевых проблем топологической фотоники: ранее устойчивые к дефектам каналы для передачи света занимали исключительно края материала, оставляя большую часть структуры без использования.

Основой разработки послужила топологическая фотоника — область, в которой свойства материалов позволяют формировать устойчивые каналы для распространения электромагнитных волн (включая свет и микроволны). В классических топологических структурах сигнал перемещается вдоль границы между двумя областями с различными топологическими свойствами, что защищает его от отражений и потерь при изгибах или небольших дефектах. Однако значительная часть самого материала при этом не участвует в передаче информации.

Учёные решили эту задачу, создав структуру в форме пчелиной соты, выполненную из магнитных стержней. Вместо того чтобы делить материал на две области, они изменили геометрию решётки, чтобы электромагнитные волны могли разделяться на два различных «долины» (valleys — состояния с разными значениями импульса внутри кристаллической структуры). Эти состояния функционируют как независимые каналы для движения волн внутри одного материала.

Исследователи разработали четыре варианта такой структуры и объединили их в циклическую схему. Каждый участок одновременно выполняет две функции: пропускает сигнал, движущийся в одном направлении, и блокирует волну из соседнего канала, которая пытается двигаться в противоположную сторону. В результате получился топологический волновод без изолирующих промежутков с четырьмя параллельными однонаправленными каналами — по два для передачи сигналов в каждом направлении.

Эффективность конструкции была протестирована в микроволновом диапазоне: через созданную структуру передавали сигналы с информацией. Волны проходили через резкие повороты и узкие участки без заметного отражения назад или утечек в соседние каналы. Даже после преднамеренного изменения геометрии структуры однонаправленная передача оставалась устойчивой.

По оценкам авторов, новая архитектура достигает 100% использования доступной площади для передачи сигнала, так как задействует не только границы, но и весь объём материала.

Для практических фотонных чипов необходимо адаптировать технологию к значительно более высоким оптическим частотам. Учёным также предстоит решить проблемы потерь в материалах и массового производства таких структур. Если эти задачи будут успешно решены, данный подход может привести к созданию более компактных фотонных устройств с большей плотностью передачи данных для оптической связи, квантовых технологий и вычислительных систем.