Учёные создали «четырёхполосную магистраль» внутри одного фотонного чипа

Новая топология использует почти весь объём материала для передачи сигналов вместо узких границ, что может повысить плотность будущих оптических вычислительных и квантовых устройств

Учёные из Китая разработали фотонный чип с 4 независимыми каналами передачи сигналов, в котором световые волны могут двигаться по всей структуре, а не только по её границам.

Новая архитектура решает одну из главных проблем топологической фотоники: ранее устойчивые к дефектам каналы передачи света занимали только края материала, оставляя большую часть структуры неиспользуемой.

Основой разработки стала топологическая фотоника — направление, в котором свойства материалов позволяют создавать устойчивые каналы для распространения электромагнитных волн (в том числе света и микроволн). В традиционных топологических структурах сигнал движется вдоль границы между двумя областями с разными топологическими свойствами, что защищает его от отражений и потерь при изгибах или небольших дефектах. Однако большая часть самого материала при этом не участвует в передаче информации.

Исследователи решили эту проблему с помощью структуры в виде пчелиной соты, созданной из магнитных стержней. Вместо разделения материала на две области они изменили геометрию решётки так, чтобы электромагнитные волны разделялись на 2 различных «долины» (valleys — состояния с разными значениями импульса внутри кристаллической структуры). Эти состояния работают как независимые каналы движения волн внутри одного материала.

Учёные создали 4 варианта такой структуры и объединили их в циклическую схему. Каждый участок одновременно выполняет 2 функции: пропускает сигнал, движущийся в одном направлении, и блокирует волну из соседнего канала, которая пытается распространяться в обратную сторону. В результате получился топологический волновод без изолирующих промежутков с 4 параллельными однонаправленными каналами — по 2 для передачи сигналов в каждом направлении.

Работоспособность конструкции проверили на микроволновом диапазоне: через созданную структуру передавали сигналы с информацией. Волны проходили через резкие повороты и узкие участки без заметного отражения назад или утечки в соседние каналы. Даже после намеренного изменения геометрии структуры однонаправленная передача сохраняла устойчивость.

Согласно оценке авторов, новая архитектура достигает 100% использования доступной площади для передачи сигнала, поскольку задействует не только границы, но весь объём материала.

Для практических фотонных чипов технологию потребуется адаптировать к гораздо более высоким оптическим частотам. Учёным также предстоит решить проблемы потерь в материалах и массового производства таких структур. Если эти задачи будут решены, то подход может позволить создавать более компактные фотонные устройства с большей плотностью передачи данных для оптической связи, квантовых технологий и вычислительных систем.