物理学者たちは長年にわたり、光学チップを実現し、光が角を曲がりながら情報を失うことなく迅速に移動し、欠陥を回避できることを夢見てきました。彼らはトポロジカルフォトニクスを通じてこの目標を達成しましたが、主な欠点に直面しました——これらの構造のエッジのみが光を運ぶことができ、大部分の材料が利用されていないのです。現在、中国の研究者たちはこの制限を克服し、ほぼ全体の構造を4車線の光通路に変え、4つの独立したマイクロ波信号を並行して伝送できるようにしました。このブレークスルーは、通信、量子技術、光学計算に応用されるより小型で高密度かつ効率的なフォトニックチップにつながる可能性があります。
研究者たちはその研究の中で、「私たちの仕事は、高密度集積光学の可能性を持つ超コンパクトなトポロジカルフォトニック回路の設計戦略を示しています。」と述べています。
中国の研究者が4車線の光通路を成功裏に設計
障害物の代わりに高速道路を考えると、この新しい設計を理解するために、従来のトポロジカルフォトニックチップを周囲に広い安全バリアを持つ道路として想像できます。これらのバリアは交通をスムーズにしますが、道路自体よりも多くのスペースを占有します。今、もし道路の各部分も交通を導くのに役立つと仮定しましょう。彼らの解決策は、磁棒で構成されたハニカム格子から始まります。研究者たちは、界面で分けられた2つの絶縁領域を作成するのではなく、幾何学的形状を慎重に調整し、結晶が自然に電磁波を2つの異なるバレーに分けるようにしました。物理学において、バレーは光が結晶内で占有できる異なる運動量状態であり、同じ材料を共有しながらも独立した交通車線のように振る舞います。
1つの構造に4つの車線を持ち、次にチームはこのハニカム構造の4つの異なるバージョンを設計しました。各バージョンの挙動は異常です。1つのバレーで伝播する波に対して、材料は自由に光を前方に導く開放通路のように振る舞います。しかし、反対のバレーに移動しようとする波に対しては、同じ領域が障害物のように機能します。この二重の挙動が鍵であることが証明されました。研究者たちは、各導波管の周りに不活性な絶縁材料を用いるのではなく、4つの領域を繰り返しの循環パターンで配置しました。各領域は自分の信号を伝送し、隣接する領域からの不要な逆向きの波を阻止します。
実際、各車線は自身の交通の通行道路であると同時に、隣接車線のバリアでもあります。
新設計が従来の光伝送の仮定を覆す
最終的な結果は、絶縁体のないトポロジカル導波管であり、4つの並行した一方向通路を持ち、その中には各方向に信号を伝送する2つの通路が含まれ、すべての通路が安定性を犠牲にすることなく密接にパッケージされています。「この多車線構成は、従来のエッジ状態を密集した大面積の一方向モードに変換します。」と研究者たちは付け加えました。設計をテストするために、研究者たちはマイクロ波周波数のためにこの構造を構築し、情報を含むマイクロ波信号をそれを通して送信しました。これらの信号は急カーブや狭いボトルネックを成功裏に通過し、後方に反射したり隣接する通路に漏れたりすることはありませんでした。
チームが意図的に幾何学的形状を歪めた後でも、一方向伝送は驚くべき安定性を保ちました。
従来の設計とは異なり、光は狭い界面に制限されておらず、新しい構造は利用可能な全領域を使用して伝送を行い、研究者たちが述べた100%の空間利用効率を実現しています。よりコンパクトなフォトニックチップに向けて、この作業はまだマイクロ波の段階にあるため、研究者たちはこの概念を実際のフォトニック回路で使用されるより高い光学周波数に適応させる必要があり、同時に材料損失や大規模製造などの課題を克服しなければなりません。成功すれば、この設計はよりコンパクトなチップが同じ空間内でより多くの情報を伝送できるようにし、トポロジカルフォトニクスが持つ安定性を維持することができるでしょう。
さらに重要なのは、光伝送がトポロジカル絶縁体の境界に沿ってのみ行われるという長年の仮定を覆し、未来のフォトニックデバイスの設計に新たな道を開いたことです。この研究は『Nature』誌に発表されました。