Группа исследователей Университета Южной Калифорнии разработала оптический маршрутизатор, основанный на принципах оптической термодинамики. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics.

Традиционные оптические маршрутизаторы требуют сложных систем переключения и электронного управления для направления световых сигналов к нужным выходам, что ограничивает скорость их работы и повышает техническую сложность. Исследователи, ориентируясь на естественные термодинамические процессы, создали устройство, позволяющее свету самостоятельно находить нужный путь.

Новое устройство основывается на нелинейных многорежимных оптических системах, которые традиционно считались хаотичными и непредсказуемыми. Ученые предложили теорию на базе аналогий с такими термодинамическими процессами, как расширение и сжатие газов, а также фазовые переходы. Это позволило объяснить поведение света в нелинейных системах, используя понятия оптической термодинамики.

Работа созданного устройства описывается двухэтапным процессом, включающим оптический аналог расширения (подобный эффекту Джоуля-Томсона для газов) и установление оптического термодинамического равновесия, благодаря чему фотоны переходят к устойчивому и предсказуемому распределению по каналам, обеспечивая самонастраиваемую маршрутизацию света.

Исследователи сравнивают эту технологию с «самоопределяющимся лабиринтом, где шарик, брошенный в любое место, всегда катится в нужное отверстие без посторонней помощи», так как принципы термодинамики, позволяют «свету самому находить правильный путь». Они поясняют, что это похоже на равномерное распределение температуры и давления для достижения термодинамического равновесия газа, но только в нелинейной оптической системе поток фотонов естественным образом направляется к конечному пункту маршрута.

Авторы исследования считают, что предложенная ими концепция на основе оптической термодинамики переводит сложные и ранее непредсказуемые нелинейные оптические системы в разряд решений с управляемыми физическими процессами, открывая возможность создания нового класса фотонных устройств. Оптическая термодинамика, обеспечивающая самоорганизующийся способ передачи световых сигналов, способна ускорить развитие оптических сетей и улучшить производительность вычислительных систем. Она может использоваться в таких областях, как высокопроизводительные вычисления, телекоммуникации, обработка защищенной информации, а также для создания эффективных межсоединений чипов в комплексах ИИ.