光學熱力學：駕馭光的新途徑

「將光學中曾經被視為棘手挑戰的問題，重新定義為一種自然的物理過程，這可能會重新定義工程師控制光和其他電磁信號的方式。」- USC Viterbi 電機與電腦工程教授 Demetrios Christodoulides

(光學熱力學的誕生): (光學熱力學的概念，為控制非線性系統中的光提供了一種全新的方式，擺脫了傳統光學路由器的複雜性和限制)


傳統的光學控制方式，往往需要藉助複雜的開關網路和電氣控制系統，才能改變光的傳播路徑。
這種方式不僅增加了系統的複雜性，也限制了速度和效能。南加州大學維特比工程學院（USC Viterbi School of Engineering）的研究團隊，提出了一種完全不同的方法：光學熱力學。

這種新穎的方法，
可以想像成一個會自我組織的大理石迷宮。
無論從哪裡放入大理石，它都會自動滾向正確的目的地。光在這種系統中的行為方式與之類似，它會依照熱力學的規則，自行找到合適的路徑。這項研究成果發表在《自然光子學》（Nature Photonics）期刊上，為光學領域帶來了革命性的突破。

(從閥門、路由器到光): (不同工程領域中「路由」概念的應用，以及光學路由長期以來的複雜性，突顯了光學熱力學的重要性)


「路由」這個概念在各個工程領域都非常常見。在機械工程中，歧管閥控制著流體的流動方向。在電子工程中，Wi-Fi 路由器或乙太網路交換器將數位資訊從多個輸入源傳送到正確的輸出埠，確保每個訊號都能到達目的地。

然而，在光學領域實現類似的路由功能，
一直以來都非常複雜。
傳統的光學路由器依賴複雜的開關網路和電氣控制系統來改變光的路徑，這增加了複雜性，並且限制了速度和性能。
光學熱力學的出現，
為解決這個問題提供了一個全新的思路。

(產業潛力): (光學熱力學在現代計算、資料傳輸以及其他領域的潛在應用，預示著其對產業的重大影響)


隨著現代計算和資料傳輸不斷突破傳統電子技術的極限，包括輝達（NVIDIA）等領先的晶片設計公司，都在積極探索光學技術，尋求更快、更節能的替代方案。
光學熱力學提供了一種自然的、自組織的方式來引導光訊號，
這有助於加速這些努力的進展。

除了晶片級通訊，
這項原理還可能影響電信、高效能運算和安全資訊傳輸等領域，為更簡單、更強大的光學系統鋪平道路。學者們可以關注相關研究發展，或在國際研討會中與產業界人士交流，如SPIE (國際光學工程學會)所舉辦的光學相關會議。

(混沌駕馭之道：熱力學): (研究人員如何利用非線性多模光學系統中的「混沌」現象，並透過熱力學原理將其轉化為可預測的行為)
非線性多模光學系統通常被認為是混沌且難以控制的。
它們重疊的光模式使得它們極難以建模或設計以用於實際目的。然而，這種複雜性隱藏了豐富的物理行為，這些行為在很大程度上尚未被開發。

南加州大學的研究人員意識到，
在這些非線性環境中的光行為，
很像氣體朝向熱平衡移動，在熱平衡中，隨機碰撞最終會產生穩定的能量分佈。基於這個見解，他們開發了「光學熱力學」的理論框架，描述了非線性晶格中的光如何經歷類似於膨脹、壓縮甚至相變的過程。該模型提供了一種統一的方式來理解和利用光的自然自組織。
(自路由光學元件): (研究團隊如何利用光學熱力學理論，設計出一種可以自動路由光訊號的元件，無需外部開關)
該團隊在《自然光子學》上展示的元件，
標誌著第一個用這個新理論設計的元件。
該系統並非主動引導訊號，而是經過設計，使光自行路由。
這個原理直接受到熱力學的啟發。正如氣體經歷所謂的焦耳-湯姆森膨脹（Joule-Thomson expansion）會重新分配其壓力和溫度，然後自然達到熱平衡一樣，南加州大學元件中的光也會經歷一個兩步驟的過程：首先是光學膨脹，然後是熱平衡。其結果是光子自組織地流向指定的輸出通道，而無需任何外部開關。
(開創新領域): (光學熱力學如何為光子元件的創建開闢新途徑，並對資訊處理、通訊和基礎物理學的探索產生影響)
透過有效地將混沌轉化為可預測性，光學熱力學為創建一類新的光子元件打開了大門，這些元件利用而非對抗非線性系統的複雜性。這項研究的主要作者，USC Viterbi 光學和光子學組實驗室的博士生 Hediyeh M. Dinani 表示:

「除了路由之外，這個框架還可以實現全新的光管理方法，對資訊處理、通訊和基礎物理學的探索產生影響。」

這項研究，為光學領域的研究人員提供了一個全新的方向，可以預見，光學熱力學將在未來的光學技術發展中扮演重要的角色。學者可以通過學術資料庫，如IEEE Xplore, ScienceDirect等，搜尋 “Optical Thermodynamics” 找到更多相關研究。

Ref:

University of Southern California. (2025, October 10). USC engineers just made
light smarter with “optical thermodynamics”. ScienceDaily. Retrieved October 10,
2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251010091551.htm

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Story Source:
Materials provided by University of Southern California. Note: Content may be edited for style and length.