Фотонная революция: физики научились создавать связи на чипе без физических дорожек

Представьте себе фотонную схему, где «узлы» можно расставлять по чипу почти как точки на карте, а связь между ними включать и перенастраивать светом, без перекладки дорожек и без новой литографии. Похоже, именно к такому сценарию подводят свежие работы по связанным состояниям в континууме (Bound states in the continuum, BIC): это особые оптические моды, которые формально лежат в области, где обычно происходит излучение, но сами почти не «утекают» наружу и потому способны хранить энергию очень долго.

Проблема масштабирования фотонных схем известна давно. Отдельные микрорезонаторы и нанофотонные устройства получаются великолепными, но как только вы хотите собрать из них большую сеть, упираетесь в физику связи. Обычная связь между резонаторами чаще всего ближняя: поля быстро затухают, и «общение» эффективно лишь на расстояниях меньше длины волны. Есть экзотические способы протянуть взаимодействие дальше, но они часто требуют сложной инженерии и расплачиваются либо потерями, либо слабой связью, либо жесткими ограничениями на дизайн. Волноводы умеют передавать свет далеко, но тогда сеть становится по сути одномерной, а перестройка соединений превращается в непростую задачу, особенно если нужно еще и держать спектральное согласование.

На этом фоне команда под руководством профессора Цинхая Суна из Харбинского технологического института (кампус в Шэньчжэне) показала в журнале Light: Science & Applications любопытный трюк: использовать BIC в метаповерхности как общий, почти не излучающий «канал», который связывает между собой множество микролазеров на одном чипе. Причем сами лазерные узлы, по сути, можно «написать» светом. Исследователи фокусировали на метаповерхности накачку в произвольных точках, и в подсвеченных областях возникали квазисвязанные состояния (quasi-BIC) с высокой добротностью, способные к генерации. Важно, что при конечном размере области накачки идеальное BIC локально превращается в квази-BIC из-за пространственного ограничения, и именно это запускает лазерный режим там, где вы «нарисовали» пятно накачки.

Самое интересное начинается дальше. Мода BIC в метаповерхности протяженная, она «живет» по всей структуре, поэтому разнесенные по чипу узлы оказываются связаны через один и тот же нерадиирующий канал. Такой подход обходит привычный компромисс между дальностью и силой связи: взаимодействие не привязано к ближнему полю, а расстояния, по описанию авторов, могут доходить до десятков микрометров. При этом все узлы генерируют на одной и той же длине волны, заданной решеткой метаповерхности, то есть сеть получается спектрально однородной. Топология связи становится программируемой: вы меняете рисунок накачки и фактически задаете «граф» взаимодействий в двух измерениях. На той же платформе можно исследовать и эффекты неэрмитовой физики лазеров, включая режимы вроде «нулевой моды», где вся картина генерации определяется коллективной динамикой.

Параллельно другая группа, Джулия Кротти и коллеги из Миланского политеха, предложила в том же журнале второй, независимый рычаг управления BIC-резонансами, но уже по времени. Идея такая: симметрия часто «защищает» BIC, не давая ему излучать. Если на очень короткое время эту симметрию нарушить, можно включить квази-BIC и получить резонанс, который раньше был «заперт». Авторы рассматривают возбуждение фемтосекундными импульсами, которое создает пространственно неоднородное распределение горячих носителей в полупроводниковой метаповерхности. Это нарушает симметрию и переключает состояние на субпикосекундных временах. Поскольку симметрия восстанавливается за счет диффузии носителей быстрее, чем они успевают полностью рекомбинировать, такое переключение потенциально может быть заметно быстрее привычных термооптических или стандартных носитель-индуцированных подходов. И что важно, здесь не требуется заранее «вшивать» асимметрию в геометрию структуры на этапе изготовления.

Если сложить обе идеи, получается довольно цельная картина: один набор приемов позволяет пространственно программировать сеть, буквально «рисуя» узлы и связи светом, а другой дает сверхбыстрое временное управление состояниями через кратковременное нарушение симметрии. В перспективе это похоже на заготовку для «программируемой фотонной магистрали», где метаповерхность выступает как общий бэкплейн, а логика соединений и режимов задается световыми воздействиями. Авторы подобных работ напрямую связывают такие платформы с задачами фотонных вычислений и ИИ, где нужна перестраиваемая матрица связей, а также с квантовой фотоникой, где особенно ценно детерминированно и с малыми потерями связывать удаленные источники излучения.

До реальных больших систем, конечно, еще предстоит добраться: потребуется согласовывать материалы, схемы управления, тепловые и нелинейные эффекты, а также проектировать элементы так, чтобы они были устойчивы к технологическим разбросам. Но сама демонстрация того, что дальняя и при этом перенастраиваемая двумерная связь может жить внутри метаповерхности как «общий» BIC-канал, выглядит как сильный шаг к фотонным сетям, которые действительно можно перепрограммировать, а не только заранее «нарисовать» в топологии чипа.