Рисовать светом по чипу. Ученые придумали, как перестраивать компьютерные схемы без паяльника и проводов
NewsMakerТот случай, когда нарушение правил (симметрии) идет на пользу скорости процессора.
Представьте себе фотонную схему, где «узлы» можно расставлять по чипу почти как точки на карте, а связь между ними включать и перенастраивать светом, без перекладки дорожек и без новой литографии. Похоже, именно к такому сценарию подводят свежие работы по связанным состояниям в континууме (Bound states in the continuum, BIC): это особые оптические моды, которые формально лежат в области, где обычно происходит излучение, но сами почти не «утекают» наружу и потому способны хранить энергию очень долго.
Проблема масштабирования фотонных схем известна давно. Отдельные микрорезонаторы и нанофотонные устройства получаются великолепными, но как только вы хотите собрать из них большую сеть, упираетесь в физику связи. Обычная связь между резонаторами чаще всего ближняя: поля быстро затухают, и «общение» эффективно лишь на расстояниях меньше длины волны. Есть экзотические способы протянуть взаимодействие дальше, но они часто требуют сложной инженерии и расплачиваются либо потерями, либо слабой связью, либо жесткими ограничениями на дизайн. Волноводы умеют передавать свет далеко, но тогда сеть становится по сути одномерной, а перестройка соединений превращается в непростую задачу, особенно если нужно еще и держать спектральное согласование.
На этом фоне команда под руководством профессора Цинхая Суна из Харбинского технологического института (кампус в Шэньчжэне) показала в журнале Light: Science & Applications любопытный трюк: использовать BIC в метаповерхности как общий, почти не излучающий «канал», который связывает между собой множество микролазеров на одном чипе. Причем сами лазерные узлы, по сути, можно «написать» светом. Исследователи фокусировали на метаповерхности накачку в произвольных точках, и в подсвеченных областях возникали квазисвязанные состояния (quasi-BIC) с высокой добротностью, способные к генерации. Важно, что при конечном размере области накачки идеальное BIC локально превращается в квази-BIC из-за пространственного ограничения, и именно это запускает лазерный режим там, где вы «нарисовали» пятно накачки.
Самое интересное начинается дальше. Мода BIC в метаповерхности протяженная, она «живет» по всей структуре, поэтому разнесенные по чипу узлы оказываются связаны через один и тот же нерадиирующий канал. Такой подход обходит привычный компромисс между дальностью и силой связи: взаимодействие не привязано к ближнему полю, а расстояния, по описанию авторов, могут доходить до десятков микрометров. При этом все узлы генерируют на одной и той же длине волны, заданной решеткой метаповерхности, то есть сеть получается спектрально однородной. Топология связи становится программируемой: вы меняете рисунок накачки и фактически задаете «граф» взаимодействий в двух измерениях. На той же платформе можно исследовать и эффекты неэрмитовой физики лазеров, включая режимы вроде «нулевой моды», где вся картина генерации определяется коллективной динамикой.
Представьте себе фотонную схему, где «узлы» можно расставлять по чипу почти как точки на карте, а связь между ними включать и перенастраивать светом, без перекладки дорожек и без новой литографии. Похоже, именно к такому сценарию подводят свежие работы по связанным состояниям в континууме (Bound states in the continuum, BIC): это особые оптические моды, которые формально лежат в области, где обычно происходит излучение, но сами почти не «утекают» наружу и потому способны хранить энергию очень долго.
Проблема масштабирования фотонных схем известна давно. Отдельные микрорезонаторы и нанофотонные устройства получаются великолепными, но как только вы хотите собрать из них большую сеть, упираетесь в физику связи. Обычная связь между резонаторами чаще всего ближняя: поля быстро затухают, и «общение» эффективно лишь на расстояниях меньше длины волны. Есть экзотические способы протянуть взаимодействие дальше, но они часто требуют сложной инженерии и расплачиваются либо потерями, либо слабой связью, либо жесткими ограничениями на дизайн. Волноводы умеют передавать свет далеко, но тогда сеть становится по сути одномерной, а перестройка соединений превращается в непростую задачу, особенно если нужно еще и держать спектральное согласование.
На этом фоне команда под руководством профессора Цинхая Суна из Харбинского технологического института (кампус в Шэньчжэне) показала в журнале Light: Science & Applications любопытный трюк: использовать BIC в метаповерхности как общий, почти не излучающий «канал», который связывает между собой множество микролазеров на одном чипе. Причем сами лазерные узлы, по сути, можно «написать» светом. Исследователи фокусировали на метаповерхности накачку в произвольных точках, и в подсвеченных областях возникали квазисвязанные состояния (quasi-BIC) с высокой добротностью, способные к генерации. Важно, что при конечном размере области накачки идеальное BIC локально превращается в квази-BIC из-за пространственного ограничения, и именно это запускает лазерный режим там, где вы «нарисовали» пятно накачки.
Самое интересное начинается дальше. Мода BIC в метаповерхности протяженная, она «живет» по всей структуре, поэтому разнесенные по чипу узлы оказываются связаны через один и тот же нерадиирующий канал. Такой подход обходит привычный компромисс между дальностью и силой связи: взаимодействие не привязано к ближнему полю, а расстояния, по описанию авторов, могут доходить до десятков микрометров. При этом все узлы генерируют на одной и той же длине волны, заданной решеткой метаповерхности, то есть сеть получается спектрально однородной. Топология связи становится программируемой: вы меняете рисунок накачки и фактически задаете «граф» взаимодействий в двух измерениях. На той же платформе можно исследовать и эффекты неэрмитовой физики лазеров, включая режимы вроде «нулевой моды», где вся картина генерации определяется коллективной динамикой.