Защита от обратного рассеяния в интегрированной фотонике невозможна при существующих технологиях

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 20 апреля 2023 г., 15:37:11 MSK
  • 0 комментариев
  • 37 просмотров
Исследователи поднимают фундаментальные вопросы о предполагаемой ценности топологической защиты от обратного рассеяния в интегрированной фотонике.

В последние годы область интегрированной фотоники стремительно развивается. Эти микрочипы используют световые частицы (фотоны) в своих схемах в отличие от электронных схем, которые во многих отношениях составляют основу нашей современной эпохи. Предлагая улучшенную производительность, надежность, энергоэффективность и новые функциональные возможности, интегрированная фотоника обладает огромным потенциалом и быстро становится частью инфраструктуры центров обработки данных и телекоммуникационных систем, а также является многообещающим претендентом на широкий спектр датчиков и интегрированных квантовых технологий.

Значительные усовершенствования в производстве на наноуровне позволили создавать фотонные схемы с минимальными дефектами, но дефектов никогда нельзя полностью избежать, а потери из-за беспорядка остаются ограничивающим фактором в современных технологиях. Сведение к минимуму этих потерь могло бы, например, снизить потребление энергии в системах связи и еще больше повысить чувствительность сенсорной техники. А поскольку фотонные квантовые технологии основаны на кодировании информации в хрупких квантовых состояниях, минимизация потерь необходима для масштабирования квантовой фотоники до реальных применений. Таким образом, ведется поиск новых способов уменьшить обратное рассеяние или даже полностью предотвратить его.

Улица с односторонним движением для фотонов сегодня невозможна

Одним из предложений по минимизации потерь фотонов в интегрированной фотонной системе является направление света через схему с использованием топологических интерфейсов, которые по конструкции предотвращают обратное рассеяние.

"Было бы очень неплохо, если бы можно было уменьшить потери в этих системах. Но, по сути, создать такую улицу с односторонним движением для фотонов - непростая задача. На самом деле, на данный момент это невозможно; для достижения этого в оптической области потребовалась бы разработка новых материалов, которых сегодня не существует", - говорит доцент Сорен Стоббе, руководитель группы в DTU Electro.

Схема, построенная из топологических изоляторов, теоретически заставляла бы фотоны продолжать двигаться вперед, а не назад. Обратного канала просто не существовало бы. Хотя такие эффекты хорошо известны в нишевой электронике и были продемонстрированы с помощью микроволн, их еще предстоит продемонстрировать в оптической области.

Но полная топологическая защита невозможна в кремнии и всех других фотонных материалах с низкими потерями, поскольку они подвержены симметрии обращения времени. Это означает, что всякий раз, когда волновод позволяет пропускать свет в одном направлении, возможен и обратный путь. Это означает, что в обычных материалах для фотонов не существует улицы с односторонним движением, но исследователи выдвинули гипотезу, что улицы с двусторонним движением уже было бы достаточно, чтобы предотвратить обратное рассеяние.

"Была проделана большая работа по реализации топологических волноводов в платформах, имеющих отношение к интегрированной фотонике. Одной из наиболее интересных платформ является кремниевая фотоника, которая использует те же материалы и технологии, которые составляют сегодняшнее повсеместное распространение компьютерных чипов для создания фотонных систем, и даже если беспорядок не может быть полностью устранен, возможно, обратное рассеяние возможно", - говорит Серен Стоббе.

Новые экспериментальные результаты DTU, недавно опубликованные в Природная фотоника настоятельно предполагаю, что с имеющимися сегодня материалами этого, скорее всего, не произойдет.

Самые современные волноводы не обеспечивают никакой защиты

Хотя несколько предыдущих исследований показали, что, возможно, возможно предотвратить обратное рассеяние на основе различных косвенных наблюдений, строгие измерения потерь и обратного рассеяния в топологических волноводах до сих пор отсутствовали. Центральные эксперименты, проведенные в DTU, были проведены на кремниевом волноводе с очень хорошими характеристиками самого современного типа, показав, что даже в самых лучших доступных волноводах топологические волноводы не обеспечивают защиты от обратного рассеяния.

"Мы изготовили лучший волновод, доступный с использованием современных технологий, сообщающий о наименьших потерях, которые когда-либо наблюдались, и достигающий минимального уровня структурного беспорядка, но мы никогда не видели топологической защиты от обратного рассеяния. Если бы двусторонние топологические изоляторы защищали от обратного рассеяния, они были бы эффективны только при уровнях беспорядка ниже того, что возможно сегодня", - говорит аспирант Кристиан Анкер Розек.

Он провел большую часть изготовления, экспериментов и анализа данных вместе с постдоком Гильермо Арреги, оба из DTU Electro.

"Измерение потерь само по себе имеет решающее значение, но недостаточно, потому что потери также могут быть вызваны излучением, выходящим из волновода. Из наших экспериментов мы можем видеть, что фотоны попадают в маленькие случайно расположенные полости в волноводе, как если бы множество крошечных зеркал были случайным образом размещены на пути света. Здесь свет отражается взад и вперед, очень сильно рассеиваясь на этих дефектах. Это показывает, что сила обратного рассеяния высока даже в самой современной системе, доказывая, что обратное рассеяние является ограничивающим фактором", - говорит Гильермо Арреги.

Материал волновода должен нарушать симметрию обращения времени

В исследовании делается вывод о том, что для того, чтобы волновод обеспечивал защиту от обратного рассеяния, необходимо, чтобы топологический изолятор был изготовлен из материалов, которые нарушают симметрию обращения времени, не поглощая свет. Таких материалов сегодня не существует.

"Мы не исключаем, что защита от обратного рассеяния может сработать, и отсутствие доказательств не следует путать с доказательствами отсутствия. В области топологической физики предстоит провести множество интересных исследований, но, продвигаясь вперед, я считаю, что исследователи должны проявлять большую осторожность при измерении потерь при представлении новых топологических волноводов. Таким образом, мы получим более четкое представление об истинном потенциале этих структур. Предположим, кто-то действительно разрабатывает новые, экзотические материалы, которые допускают распространение только в одном направлении, наше исследование установило тесты, необходимые для обеспечения реальной защиты от обратного рассеяния", - говорит Кристиан Анкер Розик.

Комментарии

0 комментариев