8 Minutės
Įsivaizduokite optinę aparatūrą, kuriai šviesos nukreipimui nereikia jungiklių, valdymo signalų ar programinės įrangos (firmware). Pietų Kalifornijos universiteto (USC) inžinieriai parodė, kad fotonus galima priversti patiems susirasti kelią per įrenginį, vadovaujantis termodinaminiais principais — poslinkis, galintis supaprastinti ir pagreitinti ateities skaičiavimo ir ryšių techniką.
Kaip chaosas tampa nuspėjamu srautu
Ne-linearinės, daugiamodinės optinės sistemos ilgą laiką buvo laikomos per daug sudėtingomis ir pernelyg netvarkingomis patikimam inžinieriniam dizainui. Jose veikiantys daugybė modų sukuria kompleksinį, stipriai sąveikaujantį elgesį, kurio tiesioginė skaitmeninė simuliacija ir tradiciniai projektavimo metodai dažnai negauna ar neaprašo pakankamai aiškiai.
USC tyrėjų komanda šią sudėtingumą peržiūrėjo kitu kampu: jie pamatė galimybę pavirsti privalumu. Taikydami termodinamikos koncepcijas šviesai, mokslininkai sukūrė teorinį pagrindą, vadinamą optine termodinamika, kuris aiškina, kaip šviesa perpaskirsto energiją ir pasiekia pusiausvyrą ne-linearinėje tinklelio (lattice) struktūroje. Šis požiūris leidžia apsvarstyti fotoninę dinamiką taip, kaip termodinamikos mokslas traktuoja agregatines būsenas — ne tik kaip individualių bangų ar modų sumą, bet kaip statistinę, nuspėjamą visumą.
Tai būtų galima palyginti su savitvarkančiu kamuoliukų labirintu: vietoje to, kad rankiniu būdu pakeltumėte ar nusileistumėte užtvaras, labirintas suprojektuotas taip, kad kamuoliukas, nesvarbu kuriuo taku jis pradėtų, natūraliai nuvažiuotų iki reikiamo išėjimo. USC įrenginyje šviesa patiria analogišką dviejų žingsnių procesą — optinę „išsiplėtimą“ (expansion) ir po to termodinaminį suvienodinimą (equilibration) — kuris natūraliai nukreipia fotonus į parinktą išėjimo kanalą.
Tokį saviorganizuojančio maršrutizavimo principą galima išplėsti apmąstant, kaip optimizuoti įrenginio geometriją, modų sąveikas ir materialų parametrus, kad galutinis pusiausvyros taškas atitiktų praktiškai naudingą rezultatą. Optinė termodinamika suteikia projektuotojams kalbą ir įrankius apibrėžti pageidaujamus energetinius „end-state“ ir pasikliauti fizika, o ne sudėtingu elektroniniu valdymu.
Įrenginys, kuris maršrutizuoja šviesą be jungiklių
Publikacija žurnale Nature Photonics pristato eksperimentinį ir teorinį rezultato derinį — pirmą optinį įrenginį, kuris buvo sąmoningai projektuotas pagal optinės termodinamikos principus. Vietoje įprastų sprendimų, kuriuose montuojami elektroniniai jungikliai, moduliai ar tikslaus laiko valdymo grandinės, šis įrenginys naudoja vidinę ne-linearinę dinamiką, kad pati šviesa susiorganizuotų nauju maršrutu. Tai reiškia, kad maršrutizacija vyksta fizikos dėka, o ne elektroninės valdymo logikos.
Tokia paradigma žymiai pakeičia požiūrį į fotoninius maršrutizatorius ir optinius jungtukus: vietoje to, kad kiekvienam signalo keliui reikėtų atskiro aktyvaus valdymo elemento, pakanka suformuoti tinkamą tinklelį ir geometriją, kuri garantuotų pageidaujamą pusiausvyrą. Tai mažina sistemos sudėtingumą, atima poreikį sinchronizuotam valdymui ir gali sumažinti deižmę energijos sąnaudų ir delsą (latency), ypač didelės spartos duomenų perdavimo bei skaičiavimo aplikacijose.
Kaip veikia termodinaminė analogija
- Išsiplėtimas ir perpaskirstymas: Į sistemą įleista šviesa išplinta ir persiskirsto panašiai kaip dujos užpildo kamerą ar terpę, ieškodamos maksimalaus užimamumo.
- Suvienodinimas (equilibration): Per ne-linearines sąveikas fotonų pasiskirstymas atsipalaiduoja ir juda link nuspėjamos pusiausvyros būsenos, analogiškos terminei pusiausvyrai šiame optiniame tinklelyje.
- Nukreiptas išėjimas: Įrenginio geometrija ir ne-linearinis tinklelis nukreipia tą pusiausvyrą į konkrečią išvesties grandinę be išorinių valdymo vartų ar elektroninių jungiklių.
Kiekvienas iš šių žingsnių turi techninius niuansus. Išsiplėtimo stadijoje svarbu valdyti bangos difuziją ir modų perpildymą, kad energija neišsisklaidytų nepageidaujamais kanalais. Suvienodinime esminė yra nesudėtingų dinaminių santykių pasikartojamumas — sistema turi turėti stabilias atrajones arba atramą, kurioje pusiausvyra yra pasiekiama greitai ir pakartotinai. Galiausiai, išėjimo kanalas priklauso nuo vietinės geometrijos, dispersijos savybių ir ne-linearinio atsako, kurie kartu apibrėžia, kur sisteminė „termodinaminė gravitacija" nukreipia fotonus.
Kodėl tai svarbu skaičiavimams ir ryšiams
Elektroninės sistemos artėja prie fizinių ribų, susijusių su didžiausiu spartos ir energijos vartojimo efektyvumu. Optiniai jungčių sprendimai (optinės interconnects) jau tampa patraukliu alternatyviu keliu didelio našumo skaičiavimui ir duomenų centrams. Tačiau esami optiniai maršrutizatoriai ir jungikliai dažnai įveda papildomą sistemos sudėtingumą: reikalingos elektroninės kontrolės, laiko sinchronizacija, valdymo logika ir papildoma energija, kelianti delsą bei sumažinanti bendrą energetinį efektyvumą.
Saviorganizuojanti optika gali sumažinti šiuos trūkumus, įterpiant maršrutizacinį elgesį tiesiog į įrenginio fiziką. Tai reiškia mažesnę valdymo aparatinę įrangą, paprastesnę integraciją ir galį sumažinti tiek delsą (latency), tiek energijos sąnaudas didelio pralaidumo perdavimo sistemose. Tokiu būdu fotonika gali pasiūlyti privalumus telekomunikacijoms, saugiam duomenų perdavimui ir fotoniniams lustams, kuriuos naudoja įmonės, kurių tikslas — kitos kartos akceleratoriai ir spartinančios sistemos.
Be to, optinė termodinamika suteikia naują paradigmą projektuoti komponentus: vietoje to, kad būtų kuriami aktyviai valdomi elementai kiekvienam signalo keliui, būna kuriami pasyvūs arba pusiau aktyvūs tinklai, kuriuos pakanka paruošti taip, kad jie natūraliai nukreiptų srautą. Tai ypač aktualu masiškai skalėje integruojamiems fotoniniams lustams (photonic chips), kur sumažinus valdymo elementų skaičių galima sutaupyti ploto, energijos ir sumažinti šilumos generaciją.
Nuo laboratorinės teorijos iki realių įrenginių
USC komanda, kuriai priklauso pagrindinė autorė Hediyeh M. Dinani ir vyresnysis tyrėjas Demetrios Christodoulides, pabrėžia, kad optinė termodinamika daro daugiau nei tik nukreipia šviesą. Ji suteikia naują dizaino kalbą ir strategiją, kaip išnaudoti neišvengiamą ne-lineariškumą sistemoje, o ne kovoti su juo. Tai gali įkvėpti platesnį fotoninių komponentų klasės ir informacijos apdorojimo schemų spektrą, kurie veiktų ne per aktyvų valdymą, o per fizinių galutinių būsenų paskyrimą kaip pageidaujamus rezultatų taškus.
Praktinei pritaikomai plėtrai reikės įveikti kelis inžinerinius iššūkius: mastelio didinimas, integracija su esamomis platformomis (pvz., silicio fotonika), tolerancija gamybos nukrypimams ir pakartotinamumas fabriko sąlygomis. Ypač svarbu suvaldyti medžiagų dispersiją, šiluminį jautrumą ir tarpmodinę difuziją, kurie gali pakeisti pusiausvyros taškus arba sulėtinti pasiekimą į pageidaujamą būseną.
Tuo pačiu metu šis požiūris keičia problemos vertinimą: ten, kur anksčiau buvo matomas neribojamas chaosas, dabar atsiranda galimybė suprojektuoti „energetinius slėnius“ ir geometrijas, kurie nukreipia natūralų dinamikos poveikį. Kitaip tariant, ne-linearinės optikos nenuspėjamumą galima paversti įrankiu, su kurio pagalba sprendžiami realūs maršrutizavimo ir signalo valdymo iššūkiai.
Ką verta stebėti toliau
Mokslininkai ir inžinieriai dabar tiria įvairias kryptis, kuriose optinė termodinamika galėtų būti pritaikyta ar išplėsta. Tai apima adaptaciją kitiems bangos ilgiams (pvz., telekomunikacijų S, C ir L juostos), glaudesnę fotoninę integraciją ant silicio, III–V puslaidininkių ar kitų fotoninių platformų, bei sudėtingesnėms tinklo topologijoms pritaikytas architektūras.
Klausimai, kuriuos keltų tolesni tyrimai: ar galima sukurti visus optinius tinklus, kurie savarankiškai organizuotų savo srautus be išorinio valdymo? Ar galima naudoti termodinamikos galutines būsenas kaip skaičiavimo elementus fotoniniuose procesoriuose — t. y. ar tam tikros pusiausvyros galėtų atstovauti skaitines ar logines reikšmes, leidžiančias atlikti dalį skaičiavimo operacijų tiesiog fizikoje? Be to, vertinamas pralaidumo, energijos sąnaudų, signalo integralumo ir triukšmo jautrumo santykis, siekiant įvertinti praktinę naudą palyginti su tradicinėmis elektroninėmis arba hibridinėmis fotoninėmis sistemomis.
USC Viterbi grupės Nature Photonics publikacija pateikia įrodymų koncepciją ir teorinį pagrindą — tai kertinis žingsnis link praktinių, saviorganizuojančių fotoninių sistemų. Nors vis dar reikia paskesnių bandymų, skalavimo tyrimų ir tarptautinių pramonės partnerių įsitraukimo, darbo reikšmė yra akivaizdi: optinė termodinamika gali tapti esmine koncepcija ateities fotonikos inžinerijoje, atsirandant kaip naujas požiūris į maršrutizavimą, energijos valdymą ir fotoninių lustų dizainą.
Galiausiai, tiek akademinė bendruomenė, tiek pramonės atstovai turėtų stebėti, kaip ši idėja vystosi link plačiai taikomų sprendimų telekomunikacijų infrastruktūrai, didelio našumo skaičiavimui ir saugiems duomenų perdavimo kanalams. Jei saviorganizuojanti šviesa įrodys savo patikimumą ir skalės pritaikomumą, tai gali pakeisti pagrindinius uždavinius, susijusius su fotoniniu signalų valdymu ir prisidėti prie modernesnių, energiją taupančių duomenų apdorojimo architektūrų kūrimo.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai
Atomas
Ar tik man atrodo, kad tai per daug gražiai skamba? Kur strigtys, triukšmas, temperatūros pokyčiai, dispersija? Reikia daugiau realių testų, ne tik modelių.
Mantas
Oho, šitoks posūkis! Šviesa pati susiranda kelią? Jei veiktų masiškai, būtų super, bet kiek jautru gamybos nukrypimams, hmm..
Palikite komentarą