Ученые разработали структуру, которая позволяет изменять траекторию света с помощью электрического поля. В ее основе фотонный топологический изолятор и жидкокристаллический элемент-переключатель. Новая разработка открывает возможности для создания перестраиваемых оптических каналов связи и высокоточных датчиков, устойчивых к дефектам. Результаты исследования опубликованы в журнале «Известия Российской академии наук».
Ячейка с холестерическим жидким кристаллом, которая выполняет роль управляемого затвора для лазерного луча. Фото Анастасии Тамаровской
Фотонные топологические изоляторы – это особый класс оптических структур для управления движением света внутри устройства. Такие структуры разрабатываются для технологий, в которых свет используется вместо электрических сигналов, например, в линиях связи, датчиках и фотонных микросхемах. Однако в большинстве известных фотонных топологических изоляторов траектория распространения света задаётся на этапе изготовления структуры и не может быть изменена в последующем. Для перенаправления светового потока требуется либо изменение геометрии устройства, либо использование излучения другой длины волны, что существенно ограничивает функциональность таких систем.
Ученые Красногорского научного центра СО РАН предложили решение этой проблемы, встроив в фотонную структуру топологического изолятора активный элемент на основе холестерического жидкого кристалла — особого типа жидкого кристалла, в котором молекулы образуют не слоистую, а спиральную структуру. Встроенный жидкокристаллический слой выполняет функцию электрически управляемого оптического переключателя: под действием электрического напряжения он направляет свет либо по прямой, либо на обходной путь.
За основу специалисты взяли разработанный ими ранее мозаичный фотонный топологический изолятор, который состоит из одинаковых стеклянных призматических резонаторов, в которых свет распространяется за счет многократного внутреннего отражения от граней.
Работу нового устройства подтвердили экспериментально. Испытания показали, что свет можно переключать между траекториями при помощи электрического напряжения. При этом не требуется перестраивать саму фотонную структуру или перемещать ее элементы. Время отклика устройства составляет несколько десятков миллисекунд при включении и отключении напряжения. Переключение оказалось полностью обратимым: многочисленные циклы работы не приводят к заметному изменению характеристик системы.
Еще одной важной особенностью новой разработки стала возможность электрически изолировать отдельный дефектный резонатор внутри массива, что сохраняет работоспособность всей структуры даже при наличии локальных повреждений. Эта особенность делает такие устройства устойчивыми к дефектам. Кроме того, предложенная система отличается сравнительно простой конструкцией и возможностью масштабирования.
«Раньше в таких фотонных топологических изоляторах траектория света была жестко задана геометрией конструкции. Использование жидкого кристалла в качестве управляемого переключателя снимает это ограничение, позволяя изменять маршрут света исключительно электрическим полем. Световой поток обходит дефектные резонаторы, не теряя направленности и интенсивности, что обеспечивает работоспособность устройства даже при локальных нарушениях структуры. Это дает возможность проектировать надежные и перестраиваемые компоненты для систем оптической связи и датчиков, где важна как адаптивность, так и сохранение целостности сигнала. Недавно эта разработка была представлена нашей командой на форуме технологического лидерства ″Технопром-2026″, где получила высокую оценку», — комментирует Петр Ким, сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Исследование поддержано Российским научным фондом (№ 24-12-00236).
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
