[論文レビュー] Digital building blocks for controlling random waves based on supersymmetry

Sunkyu Yu, Xianji Piao+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、空間的にランダムな波のデジタル制御フレームワークを、超対称的マルチモードポテンシャルを用いて提案する。これは、パリティ反転固有モードを介して 'オフ' 状態での完全隔離を実現する。調和ポテンシャルとポツェル＝テラー（Pöschl-Teller）ポテンシャルのペアを用いて、バイナリおよびマルチレベルスイッチングを実証し、多チャンネル光デバイスにおけるグローバル位相一致条件を確立する。

ABSTRACT

Harnessing multimode waves allows high information capacity through modal expansions. Although passive multimode devices including waveguides, couplers, and multiplexers have been demonstrated for broadband responses in momentum or frequency domains, collective switching of multimodes remains a challenge, due to the difficulty in imposing consistent dynamics on all eigenmodes. Here we overcome this limitation by realizing digital switching of spatially random waves, based on supersymmetric pairs of multimode potentials. We reveal that supersymmetric transformations of any parity-symmetric potential derive the parity reversal of all eigenmodes, which allows the complete isolation of random waves at the 'off' state. Building blocks for binary and many-valued logics are then demonstrated for random waves: a harmonic pair for binary switching of arbitrary wavefronts and a Pöschl-Teller pair for multi-level switching which implements the fuzzy membership function. Our results establishing global phase matching conditions for multimode dynamics will lay the foundation of multi-channel digital photonics.

研究の動機と目的

• 一貫性のない固有モードダイナミクスのため、ランダム波系における集団的マルチモードスイッチングの課題を克服すること。
• 超対称的ポテンシャルペアを用いて、任意の波面をランダム媒体内でデジタル制御可能にする。
• 広帯域システムにおけるコherentマルチモードダイナミクスのためのグローバル位相一致条件を確立すること。
• ランダム波を用いたバイナリおよび多値論理演算の実用的ブロックを実証すること。
• ランダム波伝搬の決定的制御を通じて、多チャンネルデジタルフォトニクスの基盤を築くこと。

提案手法

• 超対称的量子力学を用いて、等スペクトル固有モードを持つペairedマルチモードポテンシャルを生成する。
• すべての固有モードのパリティを同時に反転させるパリティ対称ポテンシャル変換を適用する。
• 調和ポテンシャルペアを用いてバイナリスイッチングを実現し、任意の波面のオン／オフ制御を可能にする。
• ポツェル＝テラー（Pöschl-Teller）ポテンシャルペアを用いて、曖昧な所属関数の挙動を示すマルチレベルスイッチングを実装する。
• すべての固有モードにわたるグローバル位相一致条件を確立し、コherentマルチモード応答を保証する。
• 対称性に起因する伝搬抑制により、'オフ' 状態での完全な波の隔離を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超対称的ポテンシャルペアは、空間的にランダムな波の決定的でデジタル制御を可能にするか？
• RQ2 マルチモードランダム波系において、すべての固有モードにわたるグローバル位相一致をどのように達成できるか？
• RQ3 超対称性に基づく設計は、ランダム波におけるバイナリおよびマルチレベル論理演算をサポートできるか？
• RQ4 パリティ反転が、'オフ' 状態におけるランダム波の完全隔離を可能にする役割は何か？
• RQ5 曖昧な所属関数は、超対称的ポテンシャルを用いた波ベース論理でどのように物理的に実現できるか？

主な発見

• 任意のパリティ対称ポテンシャルの超対称的変換は、すべての固有モードのパリティ反転を引き起こし、'オフ' 状態での完全な波の隔離を可能にする。
• 調和ポテンシャルペアは、完全な伝搬制御と完全隔離を備えた、任意の波面のバイナリスイッチングを実現する。
• ポツェル＝テラー（Pöschl-Teller）ポテンシャルペアは、アナログ的論理演算を実装する曖昧な所属関数を実現するマルチレベルスイッチングを達成する。
• 本手法は、すべての固有モードにわたるグローバル位相一致条件を確立し、コherentマルチモードダイナミクスを保証する。
• 本フレームワークは、被動的マルチモードデバイスの制限を克服する広帯域で決定的制御可能なランダム波制御を実現する。
• 本結果は、プログラマブルメディアとしてのランダム波系を用いた多チャンネルデジタルフォトニクスの基盤を提供する。