Российские ученые рассчитали модель оптической системы, в которой большие потери в волноводах компенсируются при помощи малого усиления.

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. Открытие обещает революционные изменения в компьютерных технологиях. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Оптический волновод — это канал, в котором электромагнитная волна может распространяться только вдоль определенного направления. Оптоволоконные кабели используются уже повсеместно, обеспечивая интернет-соединение, в том числе и трансконтинентальное. Однако при использовании волноводов на микроэлектронном уровне — в «проводах» микросхем для оптоэлектронного компьютера, в плазмонных и нанооптических устройствах — существует проблема потерь энергии, а значит и потери сигнала, что сильно ограничивает их применение на данный момент.

Авторы работы решили рассмотреть параметрическое возмущение в системе из двух волноводов, то есть воздействие на систему, при котором изменяются ее параметры, что в свою очередь действует на проходящий в ней сигнал. 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, что приводит к перетеканию поля из одного волновода в другой. В зависимости от того в каком из волноводов 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. Физики 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. 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.  

Помимо потерь в волноводах при увеличении амплитуды сигнала проявляются нелинейные эффекты, которые замедляют и ограничивают рост амплитуд. Это означает, что применяя новую схему можно создать устойчивый постоянный сигнал, который будет надежно передавать информацию в фотонных схемах и в будущем может использоваться для создания фотонных компьютеров.