Исследователи разработали «автомагистраль с четырьмя полосами» в рамках одного фотонного чипа.

Китайские учёные представили инновационный фотонный чип, оснащённый четырьмя обособленными каналами для передачи сигналов. Особенность разработки заключается в том, что световые волны способны перемещаться по всей площади чипа, а не только по его краям.

Данный прогресс устраняет значительное ограничение в топологической фотонике: ранее созданные каналы для света, устойчивые к помехам, располагались исключительно на периферии материала, оставляя большую часть его объёма невостребованной.

В основе этого достижения лежит направление топологической фотоники, которое использует особенности материалов для формирования надёжных путей распространения электромагнитных волн, включая свет. В традиционных топологических устройствах сигнал следует вдоль границы между областями с различными топологическими характеристиками, что обеспечивает его защиту от отражений и потерь при деформациях или наличии мелких дефектов. Однако в таких системах большая часть материала не участвует в процессе передачи информации.

Разработчики преодолели эту проблему, применив структуру, напоминающую пчелиные соты, сформированную из магнитных стержней. Вместо разделения материала на две зоны, они модифицировали геометрию решётки таким образом, что электромагнитные волны разделились на два разных «долины» (valleys) — состояния с различными значениями импульса в кристаллической решетке. Эти состояния функционируют как независимые каналы для распространения волн в пределах одного материала.

Создав четыре модификации данной структуры и объединив их в циклическую конфигурацию, учёные добились того, что каждый элемент одновременно выполняет две функции: он пропускает сигнал, движущийся в одном направлении, и одновременно блокирует волну из соседнего канала, пытающуюся двигаться в противоположном направлении. Результатом стал топологический волновод, лишённый изолирующих прослоек, который располагает четырьмя параллельными однонаправленными каналами — по два для передачи сигналов в каждом направлении.

Эффективность устройства была продемонстрирована в микроволновом диапазоне: сигналы с информацией успешно передавались через разработанную структуру. Волны преодолевали резкие изгибы и узкие участки без существенных обратных отражений или утечек в соседние каналы. Даже при намеренном изменении геометрии структуры однонаправленная передача сохраняла свою стабильность.

По оценкам авторов, новая архитектура обеспечивает стопроцентное использование доступной площади для передачи сигналов, так как задействует весь объём материала, а не только его границы.

Для практической реализации фотонных чипов потребуется адаптация технологии к значительно более высоким оптическим частотам. Исследователям также предстоит решить вопросы, связанные с потерями в материалах и организацией массового производства подобных структур. Успешное решение этих задач откроет путь к созданию более компактных фотонных устройств с повышенной плотностью передачи данных, что найдёт применение в оптической связи, квантовых технологиях и системах вычислений.