Ученые 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. О работе ученых сообщает пресс-релиз МФТИ.
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, которые, двигаясь со скоростью света, значительно ускоряют перенос информации. Ученые во всем мире пытаются создать компьютер на оптоэлектронных элементах. В оптических волноводах, служащих “проводами” 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.
Ученые решили рассмотреть параметрическое возмущение в системе из двух волноводов. Параметрическое возмущение – это воздействие на систему, при котором изменяются ее 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.
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 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. 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», – прокомментировал руководитель исследования, доктор физико-математических наук профессор Александр Александрович Пухов, ведущий научный сотрудник лаборатории квантовой теории информации МФТИ.
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.
Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
