Une équipe de chercheurs du Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering a créé une nouvelle percée en photonique: la conception du premier dispositif optique qui suit le cadre émergent de la thermodynamique optique.
Le travail, signalé dans Nature Photonics, Présentation d'une façon fondamentalement nouvelle de routage de la lumière dans les systèmes non linéaires – des systèmes qui ne nécessitent pas de commutateurs, de contrôle externe ou de l'adressage numérique. Au lieu de cela, la lumière trouve naturellement son chemin à travers l'appareil, guidé par de simples principes thermodynamiques.
Des vannes aux routeurs en passant par la lumière
Le routage universel est un concept d'ingénierie familier. En mécanique, une valve de collecteur dirige les entrées vers une prise choisie. Dans l'électronique numérique, un routeur Wi-Fi à la maison ou un commutateur Ethernet dans un centre de données dirige les informations de nombreux canaux d'entrée vers le port de sortie correct, garantissant que chaque flux de données atteint sa destination prévue.
En ce qui concerne la lumière, le même problème est cependant beaucoup plus difficile. Les routeurs optiques conventionnels comptent sur des réseaux complexes de commutateurs et de contrôle électronique aux voies à bascule. Ces approches ajoutent des difficultés techniques, tout en limitant la vitesse et les performances.
L'équipe photonique de l'USC Viterbi School of Engineering a maintenant montré qu'il y a une autre façon. L'idée peut être comparée à un labyrinthe en marbre qui s'arrête.
Normalement, vous’D Je dois soulever des barrières et guider un marbre étape par étape pour s'assurer qu'il atteint sa destination: le bon trou. Dans l'équipe USC’Le dispositif de S, cependant, le labyrinthe est construit de sorte que peu importe où vous déposez le marbre, il roulera seul vers le bon endroit – pas de mains nécessaires. Et c'est exactement ce que la lumière se comporte: il trouve naturellement le chemin correct, en suivant les principes de la thermodynamique.
Impact potentiel de l'industrie
Les implications de la nouvelle approche s'étendent bien au-delà du laboratoire. Alors que l'informatique et le traitement des données continuent de repousser les limites de l'électronique traditionnelle, diverses entreprises – y compris les concepteurs de puces telles que NVIDIA et autres – explorent les interconnexions optiques comme moyen de déplacer les informations plus rapidement et plus efficacement.
Cependant, en fournissant une manière naturelle et auto-organisée de réaliser des signaux légers, la thermodynamique optique pourrait accélérer le développement de ces technologies. Au-delà du routage de données à l'échelle des puces, le cadre peut également influencer les télécommunications, l'informatique haute performance et même le traitement de l'information sécurisé, offrant un chemin vers des appareils à la fois plus simples et plus puissants.
Comment ça marche: chaos apprivoisé par la thermodynamique
Les systèmes optiques multimode non linéaires sont souvent rejetés comme chaotiques et imprévisibles. Leur interaction complexe de modes en a fait parmi les systèmes les plus difficiles à simuler – sans la conception pour une utilisation pratique. Pourtant, précisément parce qu'ils ne sont pas contraints par les règles de l'optique linéaire, ils abritent des phénomènes physiques riches et inexplorés.
Reconnaissant que la lumière dans ces systèmes subit un processus semblable à l'atteinte de l'équilibre thermique – similaire à la façon dont les gaz atteignent l'équilibre par des collisions moléculaires – les chercheurs de l'USC ont développé une théorie complète de la «thermodynamique optique». Ce cadre capture comment la lumière se comporte dans les réseaux non linéaires en utilisant des analogues de processus thermodynamiques familiers tels que l'expansion, la compression et même les transitions de phase.
Un appareil qui achemine la lumière par lui-même
L'équipe’S démonstration dans Photonique de la nature marque le premier appareil conçu avec cette nouvelle théorie. Plutôt que de diriger activement le signal, le système est conçu pour que la lumière se déroule elle-même.
Le principe est directement inspiré par la thermodynamique. Tout comme un gaz subissant ce’S Connu sous le nom d'une expansion Joule-Thomson redistribue sa pression et sa température avant d'atteindre naturellement l'équilibre thermique, la lumière dans le dispositif USC subit un processus en deux étapes: d'abord un analogue optique d'expansion, puis l'équilibre thermique. Le résultat est un flux auto-organisé de photons dans le canal de sortie désigné, sans aucun besoin de commutateurs externes.
Ouvrir une nouvelle frontière
En transformant efficacement le chaos en prévisibilité, la thermodynamique optique ouvre la porte à la création d'une nouvelle classe de dispositifs photoniques qui exploitent, plutôt que de lutter contre, la complexité des systèmes non linéaires.
« Au-delà du routage, ce cadre pourrait également permettre des approches entièrement nouvelles de la gestion de la lumière, avec des implications pour le traitement de l'information, les communications et l'exploration de la physique fondamentale », a indiqué l'étude’S auteur principal, Hediyeh M. Dinani, un doctorat. Étudiant dans le laboratoire du groupe optique et photonique à l'USC Viterbi.
La chaise d'échantillon de Steven et Kathryn en ingénierie, et professeur de génie électrique et informatique à l'USC Viterbi Demetrios Christodoulides, a ajouté: « Ce qui était autrefois considéré comme un défi intraitable dans l'optique a été recadré comme un processus physique naturel qui peut redéfinir la façon dont les ingénieurs abordent le contrôle de la lumière et d'autres signaux électromagnétiques. »
