Создан первый в мире программируемый фотонный чип

Ученые создали первый в мире программируемый нелинейный фотонный волновод, способный выполнять несколько оптических функций на одном чипе. Раньше правило «одно устройство — одна функция» означало, что для каждой задачи требовался отдельный фотонный элемент. Новый волновод меняет это, объединяя возможности нескольких устройств в компактной микросхеме, сообщает исследовательская организация NTT Research. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Что такое фотонный волновод

По сути, волновод — это микрочип, который управляет светом так же, как электроника управляет электрическим током. Внутри чипа свет распространяется по тонким каналам и может усиливаться, фокусироваться или изменять форму. В новом устройстве сердечник сделан из нитрида кремния, а его свойства можно менять с помощью проекции световых узоров. Эти узоры создают «программируемые зоны», где свет взаимодействует сам с собой и приобретает новые характеристики.

Это позволяет одному и тому же чипу мгновенно переключаться между различными оптическими функциями: формировать световые импульсы, генерировать вторую гармонику (свет с удвоенной частотой), создавать голографические изображения и перестраивать функции в реальном времени.

«Этот прорыв коренным образом меняет то, как работают нелинейные фотонные устройства. Впервые открыт путь к крупномасштабным оптическим схемам, реконфигурируемым квантовым преобразователям частоты и гибким источникам света», — говорит Рётацу Янагимото из NTT Research, руководивший проектом

Зачем это нужно

Программируемый волновод экономит ресурсы и место. Вместо множества отдельных компонентов теперь достаточно одного чипа, что снижает стоимость и повышает надежность системы. Это особенно важно для квантовых вычислений, где требуется точное управление фотонами. С помощью таких чипов можно создавать настраиваемые квантовые источники света и преобразователи частоты, улучшая работу квантовых сетей и ускоряя вычисления.

В телекоммуникациях новый подход позволяет мгновенно изменять параметры светового сигнала, что ускоряет развитие 5G и будущих 6G сетей. В лабораторных экспериментах волновод можно использовать для формирования сложных световых структур, управления их пространственно-спектральными свойствами и моделирования новых физических эффектов.

Потенциал и будущее

Рётацу Янагимото подчеркивает, что технология открывает новые возможности там, где важна высокая производительность и быстрая перестройка устройств. Команда планирует расширять спектр материалов для волноводов и интегрировать их в более сложные системы, в том числе для квантовых приложений.

Согласно прогнозу IDTechEx, к 2035 году рынок фотонных интегральных схем может превысить 50 миллиардов долларов, включая телекоммуникации, датчики, лидары и квантовые технологии. Программируемый волновод позволяет делать системы компактнее, энергоэффективнее и гибче, превращая свет в инструмент, который можно «перепрограммировать» под любую задачу. Сегодня фотонные технологии начинают работать так же универсально, как микропроцессоры в компьютерах, только с фотонами вместо электронов.