Синтетические магнитные поля управляют светом на чипе для ускорения коммуникаций

Новый метод создания псевдомагнитных полей в кремниевых фотонных кристаллах позволяет точно контролировать поток света на телекоммуникационных длинах волн. Автор: Икай Су/Шанхайский университет Цзяо Тун

Электроны в магнитном поле демонстрируют поразительное поведение, от формирования дискретных энергетических уровней до квантового эффекта Холла. Эти открытия сформировали наше понимание квантовых материалов и топологических фаз материи. Однако свет состоит из нейтральных частиц и не реагирует на магнитные поля естественным образом. Это ограничивало способность исследователей воспроизводить такие эффекты в оптических системах, особенно на высоких частотах, используемых в современных коммуникациях.

Чтобы решить эту задачу, исследователи из Шанхайского университета Цзяо Тун и Университета Сунь Ятсена разработали метод генерации псевдомагнитных полей — синтетических полей, имитирующих влияние реальных магнитных полей — внутри наноструктурированных материалов, известных как фотонные кристаллы.

В отличие от предыдущих демонстраций, которые фокусировались на конкретных эффектах, таких как фотонные уровни Ландау, новый подход позволяет произвольно контролировать то, как свет течёт внутри материала. Их исследование опубликовано в Advanced Photonics.

Команда достигла этого путём систематического изменения симметрии крошечных повторяющихся единиц в кремниевых фотонных кристаллах. Регулировка степени локальной асимметрии в каждой точке позволила им «проектировать» псевдомагнитные поля с заданными пространственными паттернами, не нарушая фундаментальную симметрию обращения времени. Как теоретический анализ, так и эксперименты подтвердили, что эти сконструированные поля могут направлять и манипулировать светом разнообразными способами.

Чтобы продемонстрировать практические применения, исследователи построили два устройства, обычно используемых в интегральной оптике. Одно представляло собой компактный S-образный изгиб волновода, который передавал свет с потерями сигнала менее 1,83 децибел. Другое было делителем мощности, который разделял свет на два равных пути с низкими дополнительными потерями и минимальным дисбалансом.

В финальном тесте устройства успешно передавали высокоскоростной поток данных на скорости 140 гигабит в секунду с использованием стандартного телекоммуникационного формата модуляции, показывая, что техника совместима с существующими оптическими системами связи.

Демонстрация прямого волновода, S-образного изгиба и делителя мощности 50:50 на основе PMF. (a), (b) Схема структур фотонных кристаллов S-образного изгиба и делителя мощности. Распределения PMF в суперъячейках вдоль направления распространения показаны в нижней части рисунков. (c), (d) Смоделированные профили распространения для прямого волновода, S-образного изгиба и делителя мощности. (e), (f) Смоделированные и измеренные спектры пропускания трёх устройств. (g) Глазковые диаграммы сигналов PAM-4 для разных каналов S-образного изгиба и делителя мощности. Автор: Advanced Photonics (2025). DOI: 10.1117/1.AP.7.6.066001

Помимо непосредственных применений, работа открывает новые пути для изучения квантовых явлений со светом. Возможность наложения искусственных калибровочных полей в фотонных системах может позволить создавать устройства для оптических вычислений, квантовой информации и передовых коммуникационных технологий.

Это также предоставляет физикам платформу для изучения того, как нейтральные частицы ведут себя в условиях, имитирующих наличие магнитных полей, соединяя концепции из физики конденсированного состояния и фотоники.

Больше информации: Пан Ху и др., Произвольный контроль потока света с использованием псевдомагнитных полей в фотонных кристаллах на телекоммуникационных длинах волн, Advanced Photonics (2025). DOI: 10.1117/1.AP.7.6.066001

Источник: SPIE