Учёные из Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, Всероссийского НИИ автоматики им. Н.Л. Духова и МФТИ рассчитали модель оптической системы, в которой большие потери в волноводах компенсируются при помощи малого усиления. Открытый феномен позволяет практически без потерь передавать сигнал, что являлось до сих пор нерешенной проблемой в плазмонных и нанооптических устройствах. А именно их использование должно привести в ближайшем будущем к революционным изменениям в компьютерных технологиях. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
Фотоника — это важное направление развития современной науки. По аналогии с электроникой, где сигналы передаются с помощью электронов, в фотонике исследуются сигналы передающиеся с помощью фотонов, что значительно ускоряет перенос информации, так как фотоны движутся со скоростью света. Учёные во всём мире пытаются создать компьютер на оптоэлектронных элементах (энергоэффективные источники излучения, сверхчувствительные сенсоры и датчики, а также высокопроизводительные оптоэлектронные процессоры).
Оптический волновод — это канал, в котором электромагнитная волна (свет) может распространяться только вдоль определённого направления. Оптоволоконные кабели являются оптическими волноводами и используются уже повсеместно. Они обеспечивают интернет соединение, в том числе и трансконтинентальное. Однако в волноводах на микроэлектронном уровне — в “проводах” микросхем для оптоэлектронного компьютера, в плазмонных и нанооптических устройствах — есть проблема потерь энергии, а значит и потери сигнала, что сильно ограничивает на данный момент их применение.
Учёные решили рассмотреть параметрическое возмущение в системе из двух волноводов. Параметрическое возмущение — это воздействие на систему, при котором изменяются её параметры, что в свою очередь действует на проходящий в ней сигнал. Например, чтобы раскачаться на качелях мы поднимаем и опускаем ноги, тем самым периодически изменяя параметр системы — расстояние от точки подвеса до нашего центра масс — что увеличивает максимальный угол, на который мы отклоняемся от положения равновесия. Изменяя параметры можно подобрать такое возмущение, чтобы оно действовало на сигнал необходимым образом.
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 (поле первого волновода отлично от нуля в точке расположения второго волновода и наоборот), 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.
Рис. 1: Схематическое изображение системы двух волноводов с периодически изменяющимися параметрами (расстоянием между ними)
Идея состояла в том, чтобы в момент времени, 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 (на рис. 2). Периодически изменяя расстояние между волноводами можно в теории бесконечно увеличивать мощность (рис. 1 и рис. 2).
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», — прокомментировал руководитель исследования, доктор физико-математических наук профессор Александр Пухов, ведущий научный сотрудник лаборатории квантовой теории информации МФТИ.
