Науковці створили новий тип фотонних кристалів для швидкісної обробки даних

Науковці досягли значного прориву в галузі інтегрованої фотоніки, розробивши новий тип конфігурованого топологічного фотонного полікристала. Це дослідження, опубліковане в журналі National Science Review, відкриває нові можливості для створення багатоканальних оптичних схем з покращеною продуктивністю та надійністю.

Сучасні фотонні інтегровані схеми стикаються з серйозними викликами щодо довготривалої стабільності та дефектів, що виникають під час виробництва. Водночас зростає потреба в більш складних схемах з додатковими каналами для обробки великих обсягів інформації. Топологічна фотоніка пропонує перспективні рішення завдяки природній стійкості до дефектів.

Дослідницька група розробила інноваційний підхід, створивши синтетичний вимір, який поєднує простір імпульсів та простір орієнтації елементарної комірки. Створений діелектричний топологічний метаматеріал складається з еліптичних елементів, що налаштовуються, та використовує новий механізм зв'язку між псевдоспіном та ефектом долинного залу.

Науковці розробили теорію збурень, засновану на кутах структурної орієнтації, що дозволяє швидко розраховувати та регулювати фотонні забороні зони. Дослідники виявили, що зміна цих кутів викликає тонкі зміщення енергетичних зон, ефективно модулюючи «масовий член» системи.

Для повного опису цього явища команда інтегрувала запропоновану скалярну теорію збурень, розглядаючи кути орієнтації як параметри синтетичного виміру. Для кожної фотонної решітки вдалося побудувати тривимірний синтетичний простір, поєднуючи двовимірний простір імпульсів Блоха та одновимірний вимір кута орієнтації.

Цей новаторський підхід дозволив обчислювати топологічні інваріанти як неперервні функції кутів орієнтації, створюючи потужну теоретичну основу для аналізу топологічних властивостей системи. При поєднанні обох топологічних ефектів виявилося, що цей гібридно-розмірний простір залежить від двох незалежних кутів орієнтації та одновимірного простору імпульсів вздовж доменних стінок.

Завдяки детальному гібридно-розмірному аналізу дослідники систематично відстежили, як об'ємні стани, крайові стани та кутові стани еволюціонують зі зміною кута орієнтації. Ці відкриття фундаментально пояснюють, як архітектура гібридного топологічного полікристала досягає надійних, динамічно реконфігурованих фотонних функціональностей.

Команда також представила новий локальний фактор якості, спеціально розроблений для характеристики гібридних власних мод у забороненних зонах. Інтегруючи локальну густину станів на цільових частотах, ця кількісна метрика забезпечує ефективний метод оцінки продуктивності гібридних топологічних фотонних пристроїв.

Для підтвердження теоретичних результатів дослідники експериментально реалізували гібридну топологічну фотонну інтегровану схему, яка успішно продемонструвала багатозонні крайові стани з високим контрастом та вищого порядку кутові стани вздовж інтерфейсу. Цей метод уможливлює створення логічних елементів на чипі, з'єднувачів та щільної оптичної комунікації через багатозонні хіральні крайові канали, одночасно підтримуючи розробку багатозонних лазерів з надмалими об'ємами мод та різноманітними кутовими станами.

Концепція фотонної решітки, залежної від орієнтації, відкриває нові можливості для реконфігурованих та програмованих активних топологічних пристроїв. У майбутньому дослідники планують вивчати нелінійні ефекти в гібридних топологічних полікристалах для покращення їх мультимодальних та багатозонних можливостей, прокладаючи шлях як для класичних, так і для квантових фотонних застосувань.