Китайские физики разработали фотонный чип, в котором световые сигналы могут передаваться одновременно по четырем независимым каналам. В отличие от прежних разработок, новая структура использует практически всю площадь материала, а не только его края. Это открывает путь к созданию более компактных и производительных устройств для оптической связи и квантовых технологий.
В течение долгого времени одной из главных задач фотоники оставалось создание чипов, где световые сигналы могли бы передаваться без искажений, огибая препятствия. Значительного прогресса в этом направлении удалось достичь благодаря топологической фотонике. Однако у данного подхода существовало ограничение: распространение света было возможным исключительно по внешним границам структур, тогда как внутренний объем материала фактически не использовался.
Группе ученых из Китая удалось преодолеть это ограничение. Ученые модифицировали структуру таким образом, что практически вся ее площадь стала активной средой для передачи сигналов. В итоге была создана конфигурация, обеспечивающая четыре независимых канала, по которым микроволновые сигналы могут двигаться параллельно друг другу.
Если описывать принцип работы упрощенно, то в стандартной топологической схеме активная «дорога» для сигнала окружена широкими «барьерами», которые занимают много места. Новая разработка предлагает иную логику: каждый участок структуры выполняет двойную функцию — одновременно направляет свой сигнал и служит барьером для соседнего. Это достигается за счет точной настройки геометрии кристаллической решетки, состоящей из магнитных стержней, что позволяет разделять электромагнитные волны на разные состояния.
Исследователи сконструировали четыре варианта ячеистой структуры, каждый из которых по-разному взаимодействовал с волнами. В одном направлении материал пропускал свет, а в противоположном — блокировал его. Расположив такие участки в циклическом порядке, авторы получили волновод без изолирующих прослоек, в котором одновременно работают четыре однонаправленных канала.
Эксперименты проводились в микроволновом диапазоне. Сигналы успешно проходили через изгибы и сужения без отражений и утечек в соседние линии. Система сохраняла устойчивость даже при намеренном изменении геометрии структуры. По заявлению ученых, эффективность использования пространства в таком устройстве достигает 100%, поскольку сигнал распределяется по всей доступной площади, а не только по краям.
На данный момент технология реализована для микроволн. Следующий этап — адаптация принципа для оптических частот, что требует решения вопросов, связанных с потерями материала и масштабируемостью производства. Однако в случае успеха такая архитектура позволит создавать более компактные и емкие фотонные чипы для систем связи, квантовых вычислений и оптической обработки данных.
Кроме практической ценности, работа опровергает устоявшееся представление о том, что защищенная передача света возможна лишь вдоль границ изоляторов, и предлагает новый подход к проектированию ультракомпактных фотонных схем.
Читайте также: Новый чип Montage обеспечивает работу с памятью DDR5 на скорости 8 миллиардов транзакций в секунду.