USC Viterbi Mühendislik Okulu’ndaki fotonik araştırma grubu, evrensel yönlendirme kavramını ışığa, üstelik doğrusal olmayan bir dinamikte uyarlayan bir cihaz mimarisi geliştirdi. Mekanikte manifold valflerin akışı seçili çıkışa yönlendirmesi, dijital ağlarda Wi-Fi yönlendirici ya da Ethernet anahtarlarının paketleri doğru porta taşıması ne ise; burada da ışık, optik termodinamiğin temel prensiplerine uyarak ‘kendiliğinden’ doğru kanala akıyor. Böylece, geleneksel optik yönlendiricilerdeki karmaşık anahtar dizileri ve elektronik kontrol katmanları ortadan kalkıyor. Hız, gecikme ve ölçeklenebilirlik sınırları fiziksel süreçlerle aşılmaya çalışılıyor.
KENDİLİĞİNDEN YÖNLENME
Ekip, yaklaşımı, bariyerlerle tek tek yönlendirmeye gerek bırakmayan “kendi kendini düzenleyen bir labirent” benzetmesiyle açıklıyor: Bilye nereye bırakılırsa bırakılsın tasarım gereği doğru deliğe yuvarlanıyor; fotonlar da benzer şekilde, harici müdahalesiz, belirlenen çıkışa akıyor. Bu, anahtar/harici kontrol/dijital adresleme gerektirmeyen doğrusal olmayan bir sistemde optik akışın doğrudan termodinamik eğilimlerle yönlenmesi anlamına geliyor.
DOĞRUSAL OLMAYAN AVANTAJ
Çok modlu, doğrusal olmayan optik kafesler yıllardır kaotik ve öngörülemez görülüyor; modlar arası karmaşık etkileşimler simülasyonu zor, pratik tasarımı neredeyse imkânsız kılıyordu. USC ekibi, bu sistemlerdeki ışığın, gazların moleküler çarpışmalarla dengeye gidişine benzer şekilde ‘optik termodinamik’ yasalarını izlediğini gösteren kapsamlı bir teori geliştirdi. Çerçeve; genleşme, sıkışma, faz geçişleri gibi süreçlerin optik analoglarıyla doğrusal olmayan davranışı tanımlıyor ve tasarım için öngörülebilir bir rota sunuyor.
İKİ AŞAMALI DENGELEME
Nature Photonics’te raporlanan ilk cihaz, sinyali aktif olarak ‘yönlendirmek’ yerine, kendiliğinden yönlenmeyi mümkün kılacak enerji-momentum manzarası ile tasarlandı. Joule–Thomson genleşmesi analojisi eşliğinde, ışık önce optik bir genleşme deneyimliyor, ardından termal denge benzeri bir düzene ulaşıyor. Netice: Harici anahtar olmadan belirlenen çıkış kanalına kendini organize eden foton akışı ve doğal kararlılıkla oluşan yönlendirme.
ÇİP İÇİ HIZLI BAĞLANTI
Yaklaşımın etkileri laboratuvarın ötesinde. Elektroniğin hız/enerji sınırları zorlanırken, çip tasarımcıları (NVIDIA ve başkaları) opto-elektronik ara bağlantıları araştırıyor. Optik termodinamik, çip üzerinde veri yönlendirmeyi doğal ve ölçeklenebilir kılarak bu çabaları hızlandırabilir. Telekom, yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) ve güvenli bilgi işleme gibi alanlarda, daha basit, daha güçlü, daha hızlı fotonik mimarilerin önünü açması bekleniyor.
TERMODİNAMİKLE TASARIM
USC Viterbi’de Optik ve Fotonik Grubu’nda yapılan çalışmada, ekibin geliştirdiği teori, tasarım ilkelerine doğrudan dönüştürüldü: Doğrusal olmayan kafesin mod etkileşimleri, enerji dağılımı ve dengeye gidişi öyle yapılandırıldı ki, sistem kaostan öngörülebilirliğe taşındı. Böylece zorlu, çok modlu bir problem, doğal bir fiziksel süreç olarak yeniden çerçevelendi ve mühendislerin ışık kontrolünde ‘anahtarsız, oto-örgütlenen’ bir yol izlemesine imkân tanındı. Çalışmanın sorumlu araştırmacıları, bu çerçevenin yönlendirmenin ötesinde ışıkla bilgi işlemeden iletişime dek yeni yönetim stratejileri doğurabileceğini; USC’de Steven ve Kathryn Sample Kürsüsünü yürüten Demetrios Christodoulides’in vurguladığı gibi, optikte ‘aşılması zor’ görünen bir zorluğun doğal süreçlerle çözülebildiğini değerlendiriyor.
TELEKOMDA BASİTLİK
Geleneksel optik yönlendiricilerin elektronik kontrol/anahtarlama bağımlılığı, gürültü, gecikme ve ölçek sorunları yaratıyordu. Optik termodinamik tabanlı cihaz, yapısal tasarımla hedefe yönlenmeyi sağladığından, elektronik üst katmanlarına daha az ihtiyaç duyuyor. Bu da, enerji verimliliği, ısı bütçesi ve sistem mimarisi tarafında basitlik ve hız avantajı getiriyor.
SANAYİYE YANSIMALAR
Yol haritasında; silikon fotonik platformlarıyla entegrasyon, dalga boyu çoklamalı (WDM) şemalar, gürültüye karşı dayanıklılık, imalat toleransları ve ölçekli yönlendirme topolojileri var. Ekip, optik termodinamiğin temel fiziğe de katkı sunacağını; faz geçişleri ve denge dışı süreçlerin ışıkta ‘mühendislik edilebilir’ hale gelmesinin yeni cihaz sınıfları doğuracağını öngörüyor.
