Optiseen termodynamiikkaan perustuva reititys

Ming Hsiehin sähkö- ja tietokonetekniikan laitoksen tutkijaryhmä on tehnyt uuden läpimurron fotoniikassa: suunnitellut ensimmäisen optisen laitteen, joka noudattaa esiin nousevaa optisen termodynamiikan viitekehystä.

Nature Photonics -lehdessä raportoitu työ esittelee perustavanlaatuisesti uuden tavan reitittää valoa epälineaarisissa järjestelmissä – eli järjestelmissä, jotka eivät vaadi kytkimiä, ulkoista ohjausta tai digitaalista osoitusta. Sen sijaan valo löytää tiensä laitteen läpi luonnollisesti yksinkertaisten termodynaamisten periaatteiden ohjaamana.

Perinteiset optiset reitittimet käyttävät monimutkaisia kytkinryhmiä ja elektronista ohjausta reittien vaihtamiseen. Nämä lähestymistavat lisäävät teknistä vaikeutta ja rajoittavat samalla nopeutta ja suorituskykyä.

Tarjoamalla luonnollisen, itseorganisoituvan tavan ohjata valosignaaleja optinen termodynamiikka voisi nopeuttaa nykyteknologioiden kehitystä. Sirumittakaavan datan reitityksen lisäksi viitekehys voi vaikuttaa myös televiestintään, suurteholaskentaan ja jopa turvalliseen informaationkäsittelyyn, tarjoten polun kohti laitteita, jotka ovat sekä yksinkertaisempia että tehokkaampia.

Termodynamiikan kesyttämä kaaos

Epälineaariset monimuoto-optiset järjestelmät sivuutetaan usein kaoottisina ja arvaamattomina. Niiden monimutkainen moodien vuorovaikutus on tehnyt niistä yhden vaikeimmista simuloitavien järjestelmien joukossa – puhumattakaan käytännön suunnittelusta. Juuri siksi, että niitä eivät rajoita lineaarisen optiikan säännöt, ne kuitenkin sisältävät rikkaita ja tutkimattomia fysikaalisia ilmiöitä.

Tunnistaen, että valo näissä järjestelmissä käy läpi prosessin, joka muistuttaa lämpötasapainon saavuttamista – samalla tavalla kuin kaasut saavuttavat tasapainon molekyylitörmäysten kautta – USC:n tutkijat kehittivät kattavan "optisen termodynamiikan" teorian. Tämä viitekehys kuvaa valon käyttäytymistä epälineaarisissa hiloissa käyttämällä tuttujen termodynaamisten prosessien, kuten laajenemisen, puristumisen ja jopa faasisiirtymien, analogioita.

Tiimin julkaisema demonstraatio on ensimmäinen tällä uudella teorialla suunniteltu laite. Signaalin aktiivisen ohjaamisen sijaan järjestelmä on suunniteltu siten, että valo reitittää itsensä.

Periaate on saanut inspiraationsa suoraan termodynamiikasta. Aivan kuten Joule-Thomson-laajenemisessa tunnettu kaasu jakaa paineensa ja lämpötilansa uudelleen ennen luonnollista termisen tasapainon saavuttamista, valo USC-laitteessa käy läpi kaksivaiheisen prosessin: ensin optisen laajenemisen ja sitten termisen tasapainon. Tuloksena on itsestään organisoituva fotonien virtaus määrättyyn lähtökanavaan – ilman ulkoisia kytkimiä.

Muuttamalla kaaoksen tehokkaasti ennustettavuudeksi optinen termodynamiikka avaa oven uudenlaisen fotonisten laitteiden luomiselle, jotka valjastavat käyttöönsä epälineaaristen järjestelmien monimutkaisuuden sen sijaan, että taistelisivat sitä vastaan. ”Reitityksen lisäksi tämä viitekehys voisi myös mahdollistaa täysin uusia lähestymistapoja valonhallintaan, joilla on vaikutuksia informaationkäsittelyyn, viestintään ja perusfysiikan tutkimiseen”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja, Hediyeh M. Dinani.

Professori Demetrios Christodoulides lisää: ”Se, mitä aiemmin pidettiin optiikan ratkaisemattomana haasteena, on muotoiltu uudelleen luonnolliseksi fyysiseksi prosessiksi – sellaiseksi, joka saattaa määritellä uudelleen tavan, jolla insinöörit lähestyvät valon ja muiden sähkömagneettisten signaalien hallintaa.”

Aiheesta aiemmin:

Akustiikka vauhdittamaan fotonista laskentaa