Управление топологическими краевыми состояниями для переключателя оптических каналов.
Кредит: Бин-Конг Сюй

Нанофотоника и топология вызвали значительный интерес благодаря уникальным свойствам, которые они предлагают. Одним из направлений является исследование топологических граничных состояний (TES). Эти состояния привлекли всеобщее внимание, потому что они очень устойчивы к ошибкам и несовершенствам.

Возникающие из топологически нетривиальных фаз, TES обеспечивают мощный набор инструментов для архитектурного проектирования фотонных интегральных схем. Транспорт TES привел к открытию различных интригующих оптических эффектов и приложений, включая направленные ответвители, односторонние волноводы, волноводы с синхронизацией мод и распространение псевдоспинов в массивах кольцевых резонаторов.

Недавно ученые расширили свои усилия по управлению TES, изучая такие методы, как адиабатическая модуляция, нелинейные эффекты и сложное плетение. Оптические системы продемонстрировали ряд интересных явлений, таких как топологический перенос от края к краю и настраиваемая локализация топологических состояний. Эти явления обладают огромным потенциалом для разработки передовых технологий и приложений, включая маршрутизацию энергии и информации, нелинейную фотонику и квантовые вычисления.

В то время как современные методы сосредоточены на манипулировании TES, они еще не уделяют много внимания улучшению взаимодействия между TES. Улучшая связь между TES, исследователи могут обеспечить обмен световой энергией между различными частями топологической решетки, что может помочь более гибко контролировать транспорт TES.

Группа исследователей из Уханьской национальной лаборатории оптоэлектроники (WNLO) и Школы оптической и электронной информации (OEI) Хуачжунского университета науки и технологий (HUST) в Китае недавно совершила значительный прорыв. Как сообщается в Advanced Photonics, они разработали инновационный подход для эффективного управления транспортом TES для переключателя оптических каналов на микросхеме кремний-на-изоляторе (КНИ).

Их исследование было сосредоточено на преобразовании канала от края к краю в четырехуровневой волноводной решетке с использованием модели Ландау-Зинера (LZ). Используя эффект конечного размера в оптической решетке с двумя элементарными ячейками, они создали альтернативный, эффективный и динамический метод для модуляции и управления транспортом топологических мод.

Используемая ими волноводная решетка похожа на двумерный материал, называемый изолятором Черна, который, как известно, имеет ТЭС. По мере уменьшения числа элементарных ячеек ТЭС эволюционируют в соответствии с моделью ЛЗ. Применяя принцип однодиапазонной эволюции LZ, исследователи смогли динамически управлять TES и добиться почти идеального преобразования каналов.

Топологические нанофотонные устройства LZ могут использоваться в различных других приложениях. Их можно использовать в качестве переключателей, которые работают на определенных длинах волн света. Включив динамику LZ в различные системы, можно создать преобразования хиральных каналов. Эта концепция также может быть расширена до более сложных волноводных решеток, что позволяет использовать еще более совершенные устройства.

Исследователи обнаружили, что эти топологические оптические устройства LZ достаточно надежны, то есть они могут хорошо работать даже при изменении определенных параметров. Это открывает возможности для разработки практических устройств, таких как оптические переключатели для сетей маршрутизации на компьютерных микросхемах или устройства, которые могут объединять или разделять несколько сигналов в волноводе.