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以光控制光:放大訊號的光機械裝置

only-perception
・2012/10/05 ・998字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

一個在 Minnesota 大學的科學家與工程師團隊發明一種獨特的微米級光學裝置,能大幅增加線上資訊的下載速度並減少網際網路傳輸的成本。

該裝置利用光所產生的力量,使一個機械性光開關以非常高的速度在 on 與 off 之間來回拍動(flop)。使用效能更高且耗能更低的光而非電流,這項發展能導致運算與訊號處理的進步。

研究結果發表在 Nature Communications 期刊上。

「此裝置類似電磁繼電器,但完全以光運作,」Mo Li 說,他是Minnesota 大學科學與工程學院電機與電腦工程系助理教授。

這項新研究是基於 Li 與同僚在 2008 年的先前發現,那時他們發現奈米級光導管(conduits)可用來產生夠強的光力(optical force),以機械性的方式移動光導波(optical waveguide,承載光的資訊通道)。在這項新裝置中,研究者發現,光的力量如此強烈,以至於該裝置的機械特性能完全由光效應而非其本身的機械結構所主宰。此效應經過放大,以非常高的力量層次(power level)來控制額外的色光訊號。

「這是首度利用這種新奇的光機械效應(optomechanical effect)來放大光訊號,而無須將之轉換成電訊號,」Li 表示。

利用分配給不同通道的不同色光,玻璃光纖能承載許多通訊通道。在光纜中,這些顏色不同的光通道並不會彼此干涉。這種非干涉特性確保單根光纖在非常長的距離下,傳輸更多資訊的效率。不過這項進展亦窩藏缺點。當考慮運算與訊號處理時,光裝置不允許不同的資訊通道輕易地控制彼此… 直到現在。

研究者的新裝置有二個光導波,每個都攜有一光訊號。形狀如微米級甜甜圈般的光學共振器(像一個迷你版強子對撞機)置於導波之間。在光學共振器中,光能夠循環數百次變得更強。

利用這種共振效應,在第一導波內的光訊號於共振器內被顯著強化,並在第二導波上產生非常強的光力。第二導波從支持材料鬆開,故當光力施加其上時,其如音叉般,以振盪方式移動。這種波導的機械性運動改變光訊號的傳輸。因為第二光訊號的功率可比控制訊號高出許多倍,故此裝置作用如同一個機械式繼電器,用來放大輸入訊號。

目前,這個新的光繼電(optical relay)裝置每秒運作一百萬次。研究者希望能將其改善至每秒數十億次。目前裝置的機械性運動速度夠快,可直接以光纖連接 RF 裝置進行寬頻通訊。

Li 在 Minnesota 大學的團隊包括畢業生 Huan Li、Yu Chen 以及 Semere Tadesse,還有前博士後研究員 Jong Noh。本計畫資金來自 Minnesota 大學科學與工程學院以及空軍科研辦公室。

資料來源:Using light to control light: Engineers invent new device that could increase Internet download speeds. Phys.org [October 2, 2012]

轉載自 only perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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真正的隨機:史上最速亂數產生器
linjunJR_96
・2021/04/12 ・2451字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

圖/wikipedia

隨機性,在許多領域都扮演了不可或缺的角色。例如電腦信息的加密,還有模擬複雜物理系統等技術,都需要用到巨量的亂數資料。不過,這些隨機是怎麼來的呢?

當電腦計算 1+1 是多少時,它可以遵從既定的程序算出正確答案;但如果叫電腦隨便給你一個數字,它肯定不知道該怎麼辦。畢竟電腦不像人,可以隨便「想到」一個數字。電腦只能根據你的命令,算出你要的結果。

要得到「真正的隨機」並不如想像中簡單。當我們到廟裡擲筊,或是玩桌遊時丟骰子,得到的結果看似沒有規律,但其實不然。它們可以用簡單的電腦計算來預測,像是丟硬幣的結果,便早已被研究透徹。只要對初始條件有足夠良好的掌握(像是丟出的速度與角度等等),這類物品的行為都能用兩百年前確立的力學定律來精準預測,因此稱不上是「真正」的隨機;另外一個缺點在於,這類方法產生隨機結果的速度實在太慢,跟不上現代社會對於隨機資料的龐大需求。

對於丟硬幣的結果,只要對初始條件有足夠良好的掌握,這類物品的行為都能用力學定律來精準預測,因此稱不上是「真正」的隨機。圖/Giphy

至於使用電腦計算的結果呢?常見像是串流平台的隨機播放功能,以及粉專抽獎會用的亂數產生器,它們所呈現的隨機是演算法算出來的。隨機播放功能利用特殊的演算法,排列出一個讓你聽起來很隨興的歌單;一般的電腦亂數,只是將特定的「種子」數字丟進一個超複雜的算式,算出成串毫無規律的數字。這些方法雖然快速又實用,但終究是可以預期的。當亂數數量夠多時,往往可以發現某些規律;而可被預期的亂數若是用於加密或認證,便會成為駭客眼中的肥羊

由量子世界尋求真正的隨機!

既然手邊的物品和電腦都不管用,科學家於是轉向微觀的量子世界。量子物理對世界的描述本身就是機率性的,因此物理學家可以從實際測量結果中汲取「正港的」隨機亂數。像是物質的放射性衰變或電路中的雜訊,都是常見的選項。這類過程雖然可以確保隨機性,但效率還是稍嫌太差,相關的實驗架設也相當費工。

不過就在今年二月,研究人員利用半導體雷射技術,打造出有史以來最快的亂數產生器:每秒 250 TB 的隨機位元,比先前的紀錄高出一百多倍。

雷射的產生牽涉到原子內的「電子躍遷」。在一般狀態下,大部分原子中的電子會按照高中化學課本中提到的「電子軌域」排列,這種排列方式稱為「基態」,代表原子中的所有電子,都處在最低能量狀態。

在原子接收一定的能量後,會有部分電子跳入高能量的軌域中,變成「激發態」,這時原子內的電子組態不穩定,電子會跳回低能量軌域中回到「基態」,並以光(輻射)的形式放出能量。圖/wikipedia

在原子接收一定的能量後,會有部分電子跳入高能量的軌域中,變成「激發態」,這時原子內的電子組態不穩定,電子會跳回低能量軌域中回到「基態」,並以光(輻射)的形式放出能量。

而這些跳回的電子,如果都從同一個激發態回到基態,就會釋放出特定「頻率」與「能量大小」的光,以愛因斯坦的說法,從相同的激發態回到基態,會得到固定的「光子」,這是舊量子論的重要發現之一。提供原子特定的能量,讓原子放出光子,就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性

但這件事情跟隨機性有什麼關係呢?電子躍遷本身就是具有隨機性的。

要激發雷射,其實事情並沒有那麼簡單,需要克服這個機率性。讓我們回頭看上面的敘述,「『大部分』原子中的電子會按照……」、「在原子接收一定的能量後,『有部分』電子跳入高能量的軌域中」,這些「大部分」、「有部分」,使得我們就算給原子固定能量,也未必能平穩釋放出特定光子,讓雷射光的強弱不穩定,也不會朝同方向射出。

因此雷射技術的重點之一,就是「光學共振腔」,將激發光子的物質放在共振腔中,放出的光子會在共振腔中來回游走,再次激發原子放出更多的光子,來增強雷射強度,並讓雷射光往特定方向射出。

但是,「光學共振腔」強化雷射強度以及方向,但實際上雷射光的強度,仍然是由量子力學的隨機性所決定!如果我們能用感光元件捕捉雷射光線起伏不定的強度,再轉換為數位訊號,就能獲取珍貴且無法破解的隨機亂數。

蝴蝶結狀「光學共振腔」

這種想法雖有十幾年的歷史,不過由於技術上的限制,產率一直相當有限。而且一般方形共振腔產生的雷射,容易讓光強度陷入特定的規律,產生的隨機性也較低。為了解決這個問題,研究人員將共振腔的形狀改良為蝴蝶結狀。如此一來,在其中反彈的雷射光便能保有其當初紊亂的特性,且往特定方向射出。

隨機的雷射光源被 254 像素的高速攝影機拍下,每個像素受到的光強度也被證實為相互獨立,因此成就了 254 條同步生產線,一同產出隨機亂數,使效率遠遠勝過以往一次只能記錄一個像素的做法,創下每秒 250 TB 的紀錄。

現今電腦運作的時間尺度最快不超過幾 GHz,因此這次的 250 THz 創舉難以發揮全部的實力。如果犧牲一些效率,用較簡單的偵測裝置來取代高速攝影機,可以讓整個裝置變得更加輕巧,提升實用性。在不久的將來,史上最速的亂數產生機制,或許可以直接容納於單一晶片之上。

參考資料:

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linjunJR_96
31 篇文章 ・ 489 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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康寧光纖大變身!魚缸水質糾察隊與光劍般的夜釣釣竿 ─《康寧創星家》競賽報導2
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2016/01/29 ・2502字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由台灣康寧贊助,泛科學策畫執行

在上篇文章「可撓式玻璃能怎麼玩?來看看教你穿衣服的智能行李箱和透明停車場樑柱」中,泛科學介紹了兩組指定示範組團隊將 Willow 可撓式玻璃分別應用於行李箱和交通情境,來改善使用者體驗的概念作品,分享他們如何從生活問題中發想、設計與實踐。這些創作皆來自康寧創星家 ─  創新應用競賽,它規定「使用材料」而未限制主題的獨特遊戲規則,催生了許多意想不到的創意。

這次我們訪問到臺灣科技大學設計團隊,他們所選用的特殊材料為「康寧 Fibrance 玻璃光纖」,透過其纖細、可彎曲、高彩度、高明度的特性,把場景延伸進「水」裡,提出兩種創新應用。

幫忙把關魚缸的水質狀態,給魚兒健康的家

大家應該看過河川或海口出現不同顏色的水流吧?一般人通常會很直覺地想,這水有特殊物質,可能不乾淨。但是無色無味的水就是乾淨的嗎?如果之中有我們看不見的汙染呢?「如同空氣品質對於人類健康的影響,對住在水族箱裡的魚來說,水的品質一旦超出範圍便會對魚的健康造成衝擊、甚至死亡。因此,水的溫度和 pH 值必須嚴加控管。」臺科大團隊的施同學與我們分享此想法的動機。

著眼於 Fibrance 玻璃纖維的特性:防水、明度彩度皆高,而且對雷射的顯色效果比一般塑膠光纖好,因此臺科大團隊決定利用這樣的特殊材料來做水質指示功能,進而達到水質控管,於是第一項作品「水底空調」誕生了。

水底空調的測量儀器旁邊裝有一塊光纖板,並於側邊接出雷射頭,在充飽電、水質正常的狀況下會持續發光,而當魚缸中水的 pH 值、溫度超過或低於正常範圍時,則會開始閃爍。談到產品設計過程的挑戰,他們表示,「當然也沒有整個設計過程都很順利,我們碰到最大的問題是『太熱』。平常大家用雷射筆用得很習慣,大概不會發現雷射發亮時其實會產生極高的熱能,讓整個測量監控系統變得很燙。起先想用盒子把它包起來,但發現行不通;後來經過設計,我們將雷射頭部分掛在外面,並用長尾夾夾住方便散熱。」。

利用康寧 Fibrance 玻璃光纖當作顯示功能的水質偵測器,此為水底空調產品草圖(圖片來源:水底空調團隊)

除了應用於水質檢測,Fibrance光纖的纖細和可彎曲的特性讓使用者能隨個人喜好設計出不同的形狀,裝飾自己的水族箱,展現出更趣味、客製化的產品樣貌。

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玻璃光纖防水、明度與彩度皆高,更可以依個人喜歡彎曲成不同形狀

你的光劍哪裡來的?不,這是我的釣竿!

第二種概念發想則出現在釣竿上,光纖釣竿感應器 ─ Night Flash 夜漁玩家。

「釣魚是一件很花時間的事,夜釣尤其有趣。一般專業釣客通常會有兩三支釣竿,以竿架固定同時使用,那麼夜釣時,要怎麼知道魚有沒有上鉤?是哪一支釣竿中獎?除了仰賴釣客的感官經驗外,就是用釣竿警報器。在這種既有產品的基礎上,我們想設計出更炫、更便利的應用。」臺科大團隊的林同學如是說。

他們將警報器別在釣竿竿頭上,並串聯至 Fibrance 玻璃光纖、再掛上釣線,魚一旦吃餌,拉動了感應器,光纖就會發亮。Night Flash 夜漁玩家在配色設計採用現有的雷射模組 RGB 三種基礎色(紅、綠、藍),搭配基本的黑色,讓釣竿在黑夜中像光劍一般搶眼,或許也能讓夜釣過程更有趣。套句臺科大設計團隊的話,就是「很炫、很好玩啊!」

Night Flash 夜漁玩家利用警報器的主板串聯 Fibrance 玻璃光纖,將動作轉變為看得見的訊號。圖為夜漁玩家產品草圖(圖片來源:Nigh Flash 團隊)
Night Flash 夜漁玩家利用警報器的主板串聯 Fibrance 玻璃光纖,將動作轉變為看得見的訊號。圖為夜漁玩家產品草圖(圖片來源:Nigh Flash 團隊)

有魚上鉤時,釣竿會顯現出發亮的光纖。(圖片來源:Night Flash 夜漁玩家團隊)
有魚上鉤時,釣竿會顯現出發亮的光纖。(圖片來源:Night Flash 夜漁玩家團隊)

設計講求實踐,可行性是成功關鍵

特別的是,兩款產品的負責同學都不是電子背景。林同學表示,「過去我只要碰到電子領域就會選擇放棄,這次算是突破了以前的障礙。雖然我們的作品是買現成晶片板來修改程式,一開始還是什麼都不懂,甚至只能土法煉鋼地一個個戳電路板,觀察反應。但後來慢慢摸索、學習,實際去做之後,才發覺好像也沒有想像的那麼難。」而這次經驗也讓他們想了解更多不同的領域,接觸更多設計的可能性。

臺科大團隊指出,「創星家競賽一定要做出實品這點也是有所成長的原因,我們必須考慮設計可否『實現』,以及產品有沒有市場。這很符合現況,現在設計領域很講求實踐,產品可行性是成功的關鍵。」接著他們補充,做使用者研究也很有趣,負責到釣具行買測試用釣竿的林同學回憶,他隨口向店裡一個五、六十歲的伯伯介紹團隊的新設計,伯伯竟然表示有意願購買,直接問一個要賣多少錢,讓他相當驚訝,「原來從舊有產品中做改良,因為消費者已經很熟悉了,所以會更有共鳴,更容易接受。」

「我們想透過 Fibrance 光纖,把看不到的東西視覺化。」

聊到產品理念,兩位同學說他們的發想起點同樣是材質本身。在魚缸和釣具之前,兩人考慮過很多主題,例如測量空氣品質和配電盤,最後決定從身邊的議題下手。「不過這些想法都圍繞著同一個概念,」他們說,「Fibrance 玻璃光纖明度、彩度高,在視覺上非常漂亮,希望能做出能充分凸顯這項特點的應用。Making the value / action visible 是我們的設計初衷,就好像蒲公英的種子讓人『看見』風的存在,我們想把看不到的東西視覺化,送到大家眼前。」

水底空調團隊現場展示水族箱光纖感測器
水底空調團隊現場展示水族箱光纖感測器

Night Flash 夜漁玩家團隊解釋釣竿上的 Fibrance 玻璃光纖運用
Night Flash 夜漁玩家團隊解釋釣竿上的 Fibrance 玻璃光纖運用

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讓好點子落地生根!《康寧創星家》複賽暨工作坊紀實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2016/01/15 ・2736字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

本文由台灣康寧贊助,泛科學策畫執行

文/梁晏慈

由台灣康寧舉辦的第一屆「康寧創星家」希望培育創新人才,並期許企業在營利的同時能回饋社會,因此他們深入校園,向台灣大專院校的學生發放英雄帖。有別於其它創新競賽以某一議題進行概念發想,「康寧創星家」的參賽者從生活中找尋好點子,並利用康寧的特殊材質-玻璃、陶瓷、光纖為命題方向,構思可以改善人類生活的新產品。本次活動共235團隊投件,其中20組團隊憑藉著他們的創新點子,獲取進入11月28日複賽暨工作坊的入場券。

台灣康寧深知唯有創新才能帶領產業的發展。然而,好點子不會從天而降,更可惜的是一般人在靈光乍現時常常思考的卻是:「這個怎麼可能做到。」、「應該很貴吧!」。康寧創星家為了鼓勵學生不只停留在發想,而是能夠考慮實作的要件,特別在複賽中安排參賽團隊與康寧科學家及奧美導師對談:前者帶領同學了解材質、改進設計,讓發想更有機會變成產品;後者則提供企劃上的建議,指導參賽者將產品包裝得更能吸引受眾與投資者。

三張圖
每組隊伍在複賽中需完成三道關卡。

 

有想過產品要賣給誰嗎?沒有,因為你只想到你自己

在複賽簡報暨提問中,各團隊有7分鐘時間向評審分享自己的創新點子。評審們除了就投影片的呈現方式給予初步建議,也教導參賽者釐清產品的受眾。例如同樣是和飲食相關的設計,其中一組計畫利用康寧的可撓式玻璃製作出能依據食物重量持續播放影片的幼兒餐墊,讓專注力不足的孩子乖乖吃飯。另一組則將目光聚焦在單身外食族,以康寧的大猩猩玻璃(Gorilla glass)打造具有點餐服務、影音功能的個人化餐桌,降低單身者外食的尷尬

針對幼兒餐墊的設計,評審詢問同學:「你們知道2至4歲的孩子吃甚麼嗎?」、「如果孩子碰碰碰地拍打餐墊,是否會干擾重量的偵測?」,藉此提醒參賽者永遠別忘了「誰要用」,當產品使用對象是嬰幼兒時,就不能以大人的角度去評估適用性,而要將嬰幼兒的行為研究透徹,並依據可能發生的狀況來更動產品設計。另一方面,評審們則提醒單人餐桌的團隊,雖然受眾是單身族群,但買家可是餐廳,因此產品行銷的困難是如何說服餐廳願意投資這項技術。再者,若影音功能太過精彩,客人一直滯留在店內,反而會影響餐廳最重視的翻桌率。由此可知,該如何吸引業者願意投資新產品,並在買家及受眾的需求間取得平衡,也是規劃產品功能時很重要的一環。

簡報提問結束,同學表示:「我們以為產品只要能解決某個問題就大功告成了,卻沒想到還有那麼多人的意見需要被納入考量。」透過與評審的對答,同學們學會從業者、一般大眾、受眾等不同角度切入產品設計,使他們產品能更完整,更有可行性。

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複試簡報暨提問的評審現場。

「這樣可行嗎?」問,就對了!

為了創造更自由的設計環境,康寧創星家初賽強調發想,但這次的複賽可不只是提案競賽,更重要的是讓每件作品的設計都能將材料的特質和現實環境狀況納入全盤考量,因此台灣康寧特別在複賽中加入了與科學家對談的關卡。在這個關卡中,科學家會給同學更多實務上的建議,一一化解大家腦中滿山滿谷的問題。例如有一組團隊為了解決駕駛人視線被汽車A柱擋住的問題,決定拿掉原本的金屬A柱,利用堅固透明的大猩猩玻璃,將前擋玻璃一路延伸到前座車窗。他們想知道:「製作一體成形、彎曲形狀的大猩猩玻璃會很困難嗎?」、「大猩猩玻璃可以承受的撞擊力如何?」。

科學家首先讚許該團隊的大膽創意,另一方面也提醒同學,汽車工業的材料要求非常嚴格。現在的玻璃製程技術可以將玻璃塑造成他們所設計的,但金屬A柱仍為必要,因為當意外發生時,金屬可以吸收碰撞力道,並撐起車蓋,避免駕駛受到更大的衝擊。同學的發想雖然可以解決視線死角的問題,可是在車禍的撞擊力太大時,大猩猩玻璃仍有可能會碎裂。破裂的玻璃將造成乘客的二度傷害,不僅如此,在講求輕量化的時代,玻璃的重量勢必會成為很大的問題。類似的設計是利用攝影機將死角的影像播放給駕駛,若同學想利用玻璃A柱的設計,避免轉播影像有視差的問題,那就得解決碎玻璃的危險性。在兩片玻璃間夾入聚碳酸酯纖維層,達到防彈玻璃的效果,也許是可行的方法。

透過「康寧創星家」創造的自由發想平台,以及科學家強大的技術支援,參賽者天馬行空的發想才有機會成為影響人類生活的重要設計。

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康寧科學家和同學正熱烈討論各種產品改進的方法。

以好故事包裝好產品

好點子及技術支援都到齊了,一項產品能否吸引買家及投資者,還要依賴設計者們說故事的能力。包裝產品的能力就靠奧美導師幫忙了!首先,每組團隊先向奧美導師分享其對於產品包裝的想法,導師便會藉此確認產品的賣點,接著深入地協助同學重整簡報的架構,並引導同學找到適當的報告邏輯。透過投影片順序的調換、內容融合,強化這些賣點。導師不斷提醒同學,製作及使用簡報的每一刻都要想到聽眾,目標是帶領他們理解「這項產品為什麼重要?」、「我為什麼要在乎?」。

尤其當聽眾是投資者時,更要把產品和對方企業做連結。因此簡報中需要強調康寧材料的獨特性,並且努力說服對方相信只有「我們」可以把材料的特性發揮至淋漓盡致。

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奧美導師專注聆聽同學講述產品的包裝概念。

創星家精神永遠與你同在

我們常以為好點子像中樂透一樣,是幸運兒的專利。但事實是累積完整的思考流程(問題是什麼?這個問題中我可以扮演的角色?),才可能在適當的時機抓住靈感。從發想到實現的每個階段都得時時分析產品是否具有市場競爭力。設計者還須跳脫框架,從贊助者及一般大眾的角度審視產品的價值;同時,以說故事的力量讓產品的行銷更貼近每個人的心。

「康寧創星家」引導同學完成一趟創新思考的流程,並幫助大家實現好點子成為好產品,期許這個活動在同學心中埋下一顆種子,比賽過程中培養的「自主發現並解決問題的能力」可以伴隨著這群創星家繼續在臺灣各產業發光發熱。

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複賽參賽者與專題演講老師合影。

 

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