Ming Hsieh Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Departmanı’ndaki araştırmacılardan oluşan bir ekip, fotonikte yeni bir atılım yarattı: optik termodinamiğin ortaya çıkan çerçevesini takip eden ilk optik cihazın tasarımı.
Bildirilen iş Nature Photonics, Doğrusal olmayan sistemlerde temel olarak yeni bir ışık yönlendirme yolunu sunar – anahtarlar, harici kontrol veya dijital adresleme gerektirmeyen sistemler. Bunun yerine, ışık doğal olarak basit termodinamik prensiplerle yönlendirilen cihazdan geçer.
Vanalardan yönlendiricilere ve ışığa
Evrensel Yönlendirme tanıdık bir mühendislik kavramıdır. Mekanikte, bir manifold valfi girişleri seçilen bir çıkışa yönlendirir. Dijital elektronikte, evde bir Wi-Fi yönlendirici veya bir veri merkezindeki bir Ethernet anahtarı, birçok giriş kanalından bilgileri doğru çıkış bağlantı noktasına yönlendirir ve her veri akışının amaçlanan hedefine ulaşmasını sağlar.
Ancak ortaya çıktığında, aynı sorun çok daha zordur. Geleneksel optik yönlendiriciler, yolları değiştirmek için karmaşık anahtar dizilerine ve elektronik kontrollere güvenir. Bu yaklaşımlar, hız ve performansı sınırlarken teknik zorluk katıyor.
USC Viterbi Mühendislik Okulu’ndaki fotonik ekibi şimdi başka bir yol olduğunu gösterdi. Fikir kendini düzenleyen mermer bir labirentle benzetilebilir.
Normalde sen’D, hedefine ulaştığından emin olmak için bariyerleri kaldırmalı ve mermer bir adım adım yönlendirmelidir. USC takımında’Bununla birlikte, labirent, mermeri nereye düşürürseniz düşürün, kendi başına doğru yere doğru yuvarlanacak – ellere ihtiyaç duyulmayacak. Ve tam olarak böyle davranır: termodinamik prensiplerini izleyerek doğal olarak doğru yolu bulur.
Potansiyel endüstri etkisi
Yeni yaklaşımın sonuçları laboratuvarın çok ötesine uzanmaktadır. Hesaplama ve veri işleme geleneksel elektroniklerin sınırlarını zorlamaya devam ettikçe, NVIDIA ve diğerleri gibi çip tasarımcıları da dahil olmak üzere çeşitli şirketler, bilgileri daha hızlı ve daha verimli bir şekilde taşımanın bir yolu olarak optik bağlantıları keşfetmektir.
Bununla birlikte, ışık sinyallerini yönlendirmek için doğal, kendi kendini organize eden bir yol sağlayarak, optik termodinamik bu tür teknolojilerin gelişimini hızlandırabilir. Chip ölçekli veri yönlendirmesinin ötesinde, çerçeve telekomünikasyonları, yüksek performanslı hesaplamayı ve hatta güvenli bilgi işlemeyi de etkileyebilir ve hem daha basit hem de daha güçlü cihazlara doğru bir yol sunabilir.
Nasıl Çalışır: Termodinamik tarafından evcilleştirildi
Doğrusal olmayan multimod optik sistemler genellikle kaotik ve öngörülemez olarak reddedilir. Modların karmaşık etkileşimleri, onları simüle etmek için en zor sistemler arasında hale getirdi – pratik kullanım için tek başına tasarım. Yine de, tam olarak doğrusal optik kuralları ile kısıtlanmadıkları için, zengin ve keşfedilmemiş fiziksel fenomenleri barındırırlar.
Bu sistemlerdeki ışığın, termal dengeye ulaşmaya benzer bir süreç geçirdiğini kabul etmek – gazların moleküler çarpışmalarla dengeye nasıl ulaştığına benzer – USC araştırmacıları kapsamlı bir “optik termodinamik” teorisi geliştirdiler. Bu çerçeve, genişleme, sıkıştırma ve hatta faz geçişleri gibi tanıdık termodinamik süreçlerin analoglarını kullanarak doğrusal olmayan kafeslerde ışığın nasıl davrandığını yakalar.
Işığı kendi başına yönlendiren bir cihaz
Takım’s gösteri Nature Fotonics Bu yeni teori ile tasarlanan ilk cihazı işaretler. Sinyali aktif olarak yönlendirmek yerine, sistem ışığın kendini yönlendirmesi için tasarlanır.
İlke doğrudan termodinamiklerden esinlenmiştir. Tıpkı ne geçiren bir gaz gibi’Joule-Thomson genişlemesi olarak bilinen, doğal olarak termal dengeye ulaşmadan önce basıncını ve sıcaklığını yeniden dağıtıyor, USC cihazındaki ışık iki aşamalı bir işlem yaşar: önce genişleme optik bir analogu, sonra termal denge. Sonuç, dış anahtarlara ihtiyaç duyulmadan, belirlenen çıkış kanalına kendi kendini organize eden bir foton akışıdır.
Yeni Bir Sınır Açmak
Kaosu etkili bir şekilde öngörülebilirliğe dönüştürerek, optik termodinamik, doğrusal olmayan sistemlerin karmaşıklığı ile mücadele etmek yerine koşum alan yeni bir fotonik cihaz sınıfının oluşturulmasına kapıyı açar.
“Yönlendirmenin ötesinde, bu çerçeve, bilgi işleme, iletişim ve temel fizik araştırmaları için etkileri ile ışık yönetimine tamamen yeni yaklaşımlar sağlayabilir.” Dedi.’Baş yazar, Hediyeeh M. Dinani, Ph.D. USC Viterbi’de Optik ve Fotonik Grubu Laboratuarında Öğrenci.
Mühendislikte Steven ve Kathryn Örnek Başkanı ve USC Viterbi Demetrios Christodoulides’te Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Profesörü, “Bir zamanlar optiklerde inatçı bir meydan okuma olarak görülen şey, mühendislerin ışık ve diğer elektromagnetik sinyallerin ışık kontrolüne nasıl yaklaşmasına neden olabilecek doğal bir fiziksel süreç olarak yeniden başlatıldı.”
