Российские ученые приблизились к созданию фотонных компьютеров

В фотонике исследуются сигналы, передающиеся с помощью фотонов, что значительно ускоряет перенос информации, так как фотоны движутся со скоростью света. Ученые во всем мире пытаются создать компьютер на оптоэлектронных элементах. Оптоволоконные кабели используются уже повсеместно. Однако в волноводах на микроэлектронном уровне есть проблема потерь энергии, а значит и потери сигнала, что сильно ограничивает на данный момент их применение.

Ученые из Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, Всероссийского НИИ автоматики имени Духова и МФТИ решили рассмотреть параметрическое возмущение в системе из двух волноводов. Исследователи взяли один волновод с поглощающей средой, а второй — с усиливающей. Интенсивность электромагнитной волны в такой системе периодически изменяется, то возрастая, то убывая. Это происходит потому, что электромагнитная волна, распространяющаяся по одному из волноводов, взаимодействует с другим волноводом, что приводит к перетеканию поля из одного волновода в другой. В зависимости от того, в каком из волноводов (поглощающем/усиливающем) находится максимум поля, интенсивность волны или убывает, или возрастает. Скорость, с которой происходит перетекание поля между волноводами, зависит от расстояния между волноводами — чем меньше расстояние, тем больше скорость.

Авторы задались вопросом: можно ли, периодически изменяя расстояние между волноводами, так «настроить» перетекание поля между ними, что амплитуда электромагнитного поля в обоих волноводах будет возрастать даже в том случае, когда потери в первом волноводе превосходят усиление во втором?

Идея состояла в том, чтобы в момент, когда интенсивность системы достигает максимума, изменить расстояние между волноводами так, чтобы сконцентрировать поле в волноводе с усиливающей средой, что приведет к дальнейшему росту интенсивности сигнала. Периодически изменяя расстояние между волноводами можно в теории бесконечно увеличивать мощность.

Расчеты показали, что если настроить параметры волноводов на особую точку, в которой моды волн, распространяющиеся в волноводе, совпадают, то практически любое изменение параметров системы будет приводить к требуемому перераспределению поля. «Периодически изменяя расстояние между волноводами, действительно возможно „настроить“ перетекание энергии между ними так, что электромагнитные поля будут усиливаться при распространении по волноводам даже в том случае, когда потери превосходят усиление», — говорит руководитель исследования, доктор физико-математических наук Александр Пухов.

Помимо потерь в волноводах при увеличении амплитуды сигнала проявляются нелинейные эффекты, которые замедляют и ограничивают рост амплитуд. Это означает, что, применяя описанную схему, можно создать устойчивый постоянный сигнал, который будет надежно передавать информацию в фотонных схемах и в будущем может использоваться для создания фотонных компьютеров. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.