USC 엔지니어들은 “광학 열역학”으로 조명을 더욱 스마트하게 만들었습니다.

밸브에서 라우터, 조명까지

라우팅에 대한 아이디어는 엔지니어링 분야 전반에 걸쳐 일반적입니다. 기계공학에서는 매니폴드 밸브가 유체의 흐름을 제어합니다. 전자 제품에서는 Wi-Fi 라우터 또는 이더넷 스위치가 여러 입력 소스의 디지털 정보를 올바른 출력 포트로 전송하여 모든 신호가 목적지에 도달하도록 합니다. 그러나 빛을 사용하여 유사한 종류의 라우팅을 달성하는 것은 오랫동안 훨씬 더 복잡했습니다. 기존의 광 라우터는 복잡한 스위치 네트워크와 전기 제어 시스템에 의존하여 빛의 경로를 변경하므로 복잡성이 추가되고 속도와 성능이 모두 제한됩니다.

USC Viterbi School of Engineering의 연구원들은 이제 완전히 다른 접근 방식을 시연했습니다. 개념은 스스로 조직화되는 대리석 미로로 상상될 수 있다. 일반적으로 사람은 장벽을 들어 올리고 구슬을 올바른 구멍으로 안내하는 경로를 조정해야 합니다. USC 팀의 장치에서는 구슬을 어디에 떨어뜨리든 자동으로 올바른 목적지를 향해 굴러가도록 미로가 구성되어 있습니다. 빛은 이 시스템 내에서 동일한 방식으로 작동합니다. 열역학 규칙에 따라 스스로 적절한 경로를 찾습니다.

잠재적인 산업 영향

이 발견의 잠재적인 응용 분야는 학문적 연구를 넘어서는 범위까지 확장됩니다. 현대 컴퓨팅 및 데이터 전송이 기존 전자 장치의 한계를 계속 확장함에 따라 선도적인 기업(NVIDIA 등의 칩 설계자 포함)은 더 빠르고 에너지 효율적인 대안으로 광학 기술을 조사하고 있습니다. 광학 열역학은 빛 신호를 전달하기 위한 자연스럽고 자체 조직적인 방법을 제공함으로써 이러한 노력의 진행을 가속화할 수 있습니다. 칩 수준 통신 외에도 이 원리는 통신, 고성능 컴퓨팅 및 보안 정보 전송과 같은 분야에도 영향을 미쳐 더 간단하면서도 강력한 광학 시스템을 위한 길을 열 수 있습니다.

작동 원리: 열역학으로 길들인 혼돈

비선형 다중 모드 광학 시스템은 종종 혼란스럽고 제어하기 어려운 것으로 간주되어 왔습니다. 겹치는 조명 패턴이 많아 실용적인 목적으로 모델링하거나 설계하기가 매우 어렵습니다. 그러나 이러한 복잡성 자체가 아직까지 거의 개발되지 않은 풍부한 물리적 행동을 숨기고 있습니다.

USC 연구원들은 이러한 비선형 환경에서 빛이 열 평형을 향해 이동하는 가스와 매우 유사하게 동작하며, 여기서 무작위 충돌이 결국 안정적인 에너지 분포를 생성한다는 것을 깨달았습니다. 이러한 통찰력을 바탕으로 그들은 비선형 격자의 빛이 팽창, 압축, 심지어 상전이와 유사한 과정을 겪을 수 있는 방법을 설명하는 “광학 열역학”의 이론적 틀을 개발했습니다. 이 모델은 빛의 자연스러운 자체 조직을 이해하고 활용할 수 있는 통일된 방법을 제공합니다.

스스로 빛을 전달하는 장치

팀의 시연 자연광학 이 새로운 이론으로 설계된 최초의 장치입니다. 신호를 적극적으로 조정하는 대신 시스템은 조명이 자체적으로 경로를 지정하도록 설계되었습니다.

이 원리는 열역학에서 직접 영감을 받았습니다. 줄-톰슨(Joule-Thomson) 팽창으로 알려진 가스가 자연적으로 열 평형에 도달하기 전에 압력과 온도를 재분배하는 것처럼 USC 장치의 빛은 먼저 팽창의 광학적 유사체, 그 다음 열 평형의 두 단계 과정을 거칩니다. 그 결과, 외부 스위치가 필요 없이 지정된 출력 채널로 광자의 자체 조직 흐름이 이루어집니다.

새로운 지평을 열다

혼돈을 예측 가능성으로 효과적으로 전환함으로써 광학 열역학은 비선형 시스템의 복잡성에 맞서 싸우기보다는 활용하는 새로운 종류의 광소자 생성의 문을 열어줍니다. “라우팅을 넘어 이 프레임워크는 정보 처리, 통신 및 기본 물리학 탐구에 대한 영향을 통해 조명 관리에 대한 완전히 새로운 접근 방식을 가능하게 할 수 있습니다.”라고 USC Viterbi 광학 및 포토닉스 그룹 연구실의 박사 과정 학생인 이번 연구의 주요 저자인 Hediyeh M. Dinani가 말했습니다.

Steven과 Kathryn Sample 공학 분야 석좌교수이자 USC Viterbi Demetrios Christodoulides 전기 및 컴퓨터 공학 교수는 “한때 광학 분야에서 다루기 힘든 과제로 여겨졌던 것이 자연적인 물리적 과정으로 재구성되었습니다. 이는 엔지니어가 빛과 기타 전자기 신호의 제어에 접근하는 방법을 재정의할 수 있습니다.”라고 덧붙였습니다.