The post has been translated automatically. Original language: Russian
QYDYR_NEXUS spherical interferometer: experimental detection of the effect of the mirror-antisymmetric waveguide topology on optical signal attenuation
Authors: Chernenko S. L., Basargin O. S.
Annotation
The article presents the results of an exploratory experimental study of the topological structure of the "Sefiral" (an open system of two mirror-antisymmetric coils connected by an S-shaped junction) as a hardware element of a fiber-optic path. The dependence of the optical power level on the spatial geometry of the channel with a constant waveguide length and stable radiation source parameters is investigated. A decrease in optical losses by Δ ≈ 3.9 dBm was recorded during the transition from rectilinear stacking to the "Sefiral" topology. The data obtained confirm the hypothesis that the channel geometry acts as an active spatial filter and form the basis for the development of Sphiral Artificial Neurons (SYN) in neuromorphic optical systems.
Keywords: sphiral, topological photonics, optical waveguide, phase noise, neuromorphic computing, mirror antisymmetry.
1. Introduction
The development of neuromorphic photonics and optical computing systems is faced with the problem of accumulation of phase noise and signal dissipation. In classical architecture, the shape of a conductive or waveguide channel performs a transport function. The present study is based on the principle that the physical topology of the hardware channel acts as an independent computing operator.
The purpose of the study is to record hardware changes in the optical power level of the signal depending on the topology of the optical path and to prove that a change in the spatial geometry of the channel (the introduction of mirror—antisymmetric coils and an S junction) physically affects the parameters of the passing electromagnetic flux.
2. Materials and methods
To isolate the topological variable, measurements were carried out on one continuous segment of single-mode optical fiber without changing the quantity connectors and the length of the path.
Equipment:
- Radiation source: laser SFP transceiver (wavelength 1310 nm).
- Receiver: COMPTYCO KPM-25 calibrated optical power meter (accuracy ±0.5 dB).
- Control Environment and power supply: digital thermometer, two multimeters for continuous measurement of voltage and current.
- Stand: rigid GIDEON matrix for fixing fiber geometry.
Experimental conditions:
- Ambient temperature: 31.4 °C.
- Electrical power supply of the SFP module: voltage 3.19 V, current 0.16 A (strictly stabilized, without drift during measurements).
Investigated configurations:
1. Control (Basic): The optical fiber is completely stretched into a straight line (eliminating spatial bends).
2. Test (Sefiral): optical fiber is laid on a stand in the form of an open system consisting of two elliptical mirror-antisymmetric coils connected by a central With an S-shaped loop.
A series of 10 consecutive measurements was performed for each configuration.
3. Measurement results
Table 1 shows the average results of hardware fixation of optical power for two topological waveguide states.
Table 1. Optical power level depending on the path topology
| № | Waveguide topology | Average Optical power (Rms), dBm | SFP supply voltage, V |
| 1 | Straight Line (Base) | -15,02 | 3,19 |
| 2 | Sefiral (Test) | -11,12 | 3,19 |
Absolute change in attenuation level:
Δ P = |P cf.base - P cf. Sefir| = |- 15,02 - (- 11,12) | = 3,90 dB
The recorded difference exceeds the hardware error of the meter (± 0.5 dB) by 7.8 times, which confirms the statistical and physical reliability of the effect.
4. Discussion and physical mechanism
The transition from rectilinear propagation to the "Sefiral" topological arrangement demonstrated an improvement in the conductivity of the optical channel ( loss reduction). This result directly indicates that the shape of the optical path physically changes the signal parameters.
Theoretical justification (working hypothesis):
1. Distortion compensation: dividing the contour into two turns with opposite chirality forms a differential medium. Mirror antisymmetry helps to compensate for common-mode noise and spurious modes occurring in the optical path.
2. Phase alignment: the central S-shaped loop acts as an inversion zone. It provides directional delay and redistribution of the polarization vector, thereby stabilizing the optical flow. The sefiral functions as a passive spatial filter that optimizes the mode composition.
5. Limitations of the study
This work is classified as a pilot (exploratory) study. The results obtained confirm the materiality of the topological effect at the macro level (optical power level). An exhaustive mathematical model of the effect requires precision measurements of phase noise, return Loss, and spectral density using an optical reflectometer (OTDR) and a spectrum analyzer.
6. Conclusion
Hardware recorded a decrease in optical losses by 3.9 dBm when laying a single-mode fiber using the "Sefiral" topology compared to a rectilinear path of identical length. It is proved that the geometry of the communication channel is an active parameter capable of increasing the energy efficiency of signal transmission at a constant radiation source power. The experimental results substantiate the physical feasibility and effectiveness of using sphiral topology in the architecture of artificial neurons (INS/FSIN).
Data availability: the initial continuous video recordings of the experiment progress and hardware parameter monitoring are deposited and provided under the contract for verification of the results.
Basargin, O. S. (2026). Sphiral interferometer QYDYR_NEXUS: experimental fixation of the effect of the mirror-antisymmetric waveguide topology on optical signal attenuation. DOI/10.5281/zenodo.21418918
Сфиральный интерферометр QYDYR_NEXUS: экспериментальная фиксация влияния зеркально-антисимметричной топологии волновода на затухание оптического сигнала
Авторы: Черненко С. Л., Басаргин О. С.
Аннотация
В статье представлены результаты поискового экспериментального исследования топологической структуры «Сфираль» (открытой системы из двух зеркально-антисимметричных витков, объединенных S-образным переходом) в качестве аппаратного элемента волоконно-оптического тракта. Исследована зависимость уровня оптической мощности от пространственной геометрии канала при неизменной длине волновода и стабильных параметрах источника излучения. Зафиксировано снижение оптических потерь на Δ ≈ 3,9 дБм при переходе от прямолинейной укладки к топологии «Сфираль». Полученные данные подтверждают гипотезу о том, что геометрия канала выступает активным пространственным фильтром, и формируют базу для разработки Сфиральных Искусственных Нейронов (СИН) в нейроморфных оптических системах.
Ключевые слова: сфираль, топологическая фотоника, оптический волновод, фазовый шум, нейроморфные вычисления, зеркальная антисимметрия.
1. Введение
Развитие нейроморфной фотоники и оптических вычислительных систем сталкивается с проблемой накопления фазового шума и диссипации сигнала. В классической архитектуре форма токопроводящего или волноводного канала выполняет транспортную функцию. Настоящее исследование опирается на принцип, при котором физическая топология аппаратного канала выступает самостоятельным вычислительным оператором.
Цель исследования — аппаратно зафиксировать изменение уровня оптической мощности сигнала в зависимости от топологии оптического тракта и доказать, что изменение пространственной геометрии канала (внедрение зеркально-антисимметричных витков и S-перехода) физически влияет на параметры проходящего электромагнитного потока.
2. Материалы и методы
Для изоляции топологической переменной измерения проводились на одном непрерывном отрезке одномодового оптоволокна без изменения количества коннекторов и длины тракта.
Оборудование:
- Источник излучения: лазерный SFP-трансивер (длина волны 1310 нм).
- Приемник: Калиброванный измеритель оптической мощности COMPTYCO KPM-25 (погрешность ±0,5 дБ).
- Контроль среды и питания: цифровой термометр, два мультиметра для непрерывной фиксации напряжения и тока.
- Стенд: жесткая матрица GIDEON для фиксации геометрии волокна.
Условия эксперимента:
- Температура среды: 31,4 °C.
- Электрическое питание SFP-модуля: напряжение 3,19 В, ток 0,16 А (строго стабилизировано, без дрейфа в процессе измерений).
Исследуемые конфигурации:
1. Контрольная (Базовая): оптоволокно полностью вытянуто в прямую линию (ликвидация пространственных изгибов).
2. Тестовая (Сфираль): оптоволокно уложено на стенде в виде открытой системы, состоящей из двух эллиптических зеркально-антисимметричных витков, соединенных центральной S-образной петлей.
Для каждой конфигурации выполнена серия из 10 последовательных замеров.
3. Результаты измерений
В таблице 1 представлены усредненные результаты аппаратной фиксации оптической мощности для двух топологических состояний волновода.
Таблица 1. Уровень оптической мощности в зависимости от топологии тракта
| № | Топология волновода | Средняя оптическая мощность (Pср), дБм | Напряжение питания SFP, В |
| 1 | Прямая линия (База) | -15,02 | 3,19 |
| 2 | Сфираль (Тест) | -11,12 | 3,19 |
Абсолютное изменение уровня затухания:
ΔP = |Pср.баз - Pср.сфир| = |- 15,02 - (- 11,12) | = 3,90 дБ
Зафиксированная разница превышает аппаратную погрешность измерителя (±0,5 дБ) в 7,8 раза, что подтверждает статистическую и физическую достоверность эффекта.
4. Обсуждение и физический механизм
Переход от прямолинейного распространения к топологической укладке «Сфираль» продемонстрировал улучшение проводимости оптического канала (снижение потерь). Данный результат прямо указывает на то, что форма оптического тракта физически меняет параметры сигнала.
Теоретическое обоснование (рабочая гипотеза):
1. Компенсация искажений: разделение контура на два витка с противоположной хиральностью формирует дифференциальную среду. Зеркальная антисимметрия способствует компенсации синфазного шума и паразитных мод, возникающих в оптическом тракте.
2. Фазовое выравнивание: центральная S-образная петля выступает зоной инверсии. Она обеспечивает направленную задержку и перераспределение вектора поляризации, благодаря чему оптический поток стабилизируется. Сфираль функционирует как пассивный пространственный фильтр, оптимизирующий модовый состав.
5. Ограничения исследования
Настоящая работа классифицируется как пилотное (поисковое) исследование. Полученные результаты подтверждают материальность топологического эффекта на макроуровне (уровень оптической мощности). Для исчерпывающего построения математической модели эффекта требуются прецизионные измерения фазового шума, коэффициента обратных отражений (Return Loss) и спектральной плотности с использованием оптического рефлектометра (OTDR) и анализатора спектра.
6. Заключение
Аппаратно зафиксировано снижение оптических потерь на 3,9 дБм при укладке одномодового волокна по топологии «Сфираль» по сравнению с прямолинейным трактом идентичной длины. Доказано, что геометрия канала связи является активным параметром, способным повышать энергетическую эффективность передачи сигнала при неизменной мощности источника излучения. Результаты эксперимента обосновывают физическую реализуемость и эффективность применения сфиральной топологии в архитектуре искусственных нейронов (СИН/ФСИН).
Доступность данных: исходные непрерывные видеозаписи хода эксперимента и аппаратного контроля параметров депонированы и предоставляются по договору для верификации результатов.
Басаргин, О. С. (2026). Сфиральный интерферометр QYDYR_NEXUS: экспериментальная фиксация влияния зеркально-антисимметричной топологии волновода на затухание оптического сигнала. DOI/10.5281/zenodo.21418918
Share
