Команда инженеров из Университета Южной Калифорнии (USC) недавно продемонстрировала новый тип оптического устройства, которое позволяет свету «самоорганизовать» путь своего распространения в соответствии с термодинамическими принципами и, как ожидается, будет способствовать новым изменениям в области вычислений и коммуникаций. В отличие от традиционных оптических путей, в которых используются переключатели или цифровое управление, устройство позволяет свету спонтанно находить путь внутри системы. Это нововведение делает системы передачи данных, вычислений и связи более естественными и эффективными фотонными технологическими решениями.
Исследовательская группа из факультета электротехники и вычислительной техники Университета Южной Калифорнии в Минши стала пионером в разработке первого оптического устройства, основанного на передовой теории «оптической термодинамики», открывающей новые пути направления света в нелинейных системах — системах, которые не требуют переключателей, внешнего управления или цифровых входов. В таких устройствах свет не нуждается в регулировке вручную и будет проходить через него автоматически по законам термодинамики.
В машинах поток жидкости контролируется шунтирующими клапанами; в электронных сетях потоками данных управляют маршрутизаторы и коммутаторы. Однако управление светом гораздо сложнее и часто требует большого количества сложных переключателей и электронных схем, что является громоздким процессом и влияет на производительность.
Метод, разработанный командой USC Photonics, похож на самоорганизующийся мраморный лабиринт. Раньше шарики нужно было постепенно направлять к цели через искусственные препятствия. Теперь структура устройства может автоматически позволять шарикам достигать конечной точки. По аналогии, свет также может найти свой собственный путь без вмешательства человека, полагаясь только на термодинамические механизмы для достижения оптимального выбора пути.
Ожидается, что это нововведение окажет глубокое влияние на фундаментальные научные исследования и смежные отрасли. Поскольку скорость и эффективность традиционной электронной обработки приближаются к физическим пределам, многие производители чипов (включая NVIDIA и т. д.) начали изучать более быстрые и энергосберегающие методы оптического соединения. Использование механизмов оптической термодинамики для достижения естественного, самоорганизованного управления световым путем может способствовать развитию фотонных технологий следующего поколения. В то же время ожидается, что эта структура будет широко использоваться в таких областях, как телекоммуникации, высокопроизводительные вычисления и безопасная передача данных, помогая разрабатывать более эффективные и простые устройства.
Принцип анализа: термодинамика укрощает «хаос»Автоматическое шунтирование света
Мультимодальные нелинейные оптические системы часто считаются хаотичными и непредсказуемыми, а их сложные взаимодействия между модами чрезвычайно затрудняют их практическое моделирование и проектирование. Однако именно потому, что она не связана правилами линейной оптики, она содержит богатые физические явления.
Команда Университета Южной Калифорнии заметила, что свет в таких системах для достижения теплового равновесия будет проходить процесс, аналогичный столкновению молекул газа, и поэтому предложила теорию «оптической термодинамики». Используя аналогии процессов, таких как расширение, сжатие и фазовые изменения в термодинамике, ученые всесторонне охарактеризовали поведение фотонов в нелинейных оптических решетках.
Команда впервые опубликовала устройство, основанное на этой теории, в журнале Nature Photonics. Системе не нужно активно направлять сигналы, она с научной точки зрения разработана так, чтобы свет мог распространяться самостоятельно.
Его принцип напрямую заимствован из термодинамики: так же, как газ будет равномерно распределять давление и температуру во время процесса расширения Джоуля-Томсона и в конечном итоге достигнет теплового равновесия, свет в устройстве USC также сначала испытает аналогичное «расширение», прежде чем войти в стадию теплового равновесия, и, наконец, самопроизвольно потечет по назначенному выходному пути без необходимости внешнего переключателя.
Преобразуя изначально непредсказуемые хаотические явления в управляемые процессы, теория оптической термодинамики обеспечивает теоретическую основу для создания новых фотонных устройств с использованием сложных нелинейных систем. Хедие М. Динани, первый автор статьи и аспирант Лаборатории фотоники Университета Южной Калифорнии, сказал: «Эта структура может не только реализовать автоматическое разветвление световых путей, но также может привести к новым решениям по управлению светом, открывая путь для обработки информации, коммуникации и фундаментальных физических исследований».
Деметриос Христодулидес, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники в школе Университета Южной Калифорнии в Витерби, добавил: «Проблемы, которые преследовали область оптики в прошлом, теперь были переопределены как естественный физический процесс, который, как ожидается, побудит инженеров к инновациям в методах управления оптическими сигналами и электромагнитными волнами».
Составлено из /ScitechDaily