[論文レビュー] Switchable and Simultaneous Spatiotemporal Analog Computing

Ali Momeni, Kasra Rouhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 67被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、静電的バイアスによって制御可能な、再構成可能でグラフェンベースのメタサーフェスを提案し、スイッチ可能な同時空間的・時間的アナログ計算を実現する。浮遊ゲート構造により静的消費電力がほぼゼロであるため、空間的および時間的信号／画像処理をリアルタイムで実現できる。伝送線路モデルを用いて空間的および時間的伝達関数を設計することで、エッジ検出、等方的微分、線形群遅延位相制御といったスイッチ可能な処理を実現する。

ABSTRACT

Optical wave-based computing has enabled the realization of real-time information processing in both space and time domains. In the past few years, analog computing has experienced rapid development but mostly for a single function. Motivated by parallel space-time computing and miniaturization, we show that reconfigurable graphene-based metasurfaces offer a promising path towards spatiotemporal computing with integrated functionalities by properly engineering both spatial- and temporal-frequency responses. This paper employs a tunable graphene-based metasurface to enable analog signal and image processing in both space and time by tuning the electrostatic bias. In the first part of the paper, we propose a switchable analog computing paradigm in which the proposed metasurface can switch among defined performances by selecting a proper external voltage for graphene monolayers. Spatial isotropic differentiation and edge detection in the spatial channel and first-order temporal differentiation and metasurface-based phaser with linear group-delay response in the temporal channel are demonstrated. In the second section of the paper, simultaneous and parallel spatiotemporal analog computing is demonstrated. The proposed metasurface processor has almost no static power consumption due to its floating-gate configuration. The spatial- and temporal-frequency transfer functions (TFs) are engineered by using a transmission line (TL) model, and the obtained results are validated with full-wave simulations. Our proposal will enable real-time parallel spatiotemporal analog signal and image processing.

研究の動機と目的

• 空間的および時間的領域におけるリアルタイムアナログ信号および画像処理のためのコンactで低消費電力なプラットフォームの開発。
• 従来のアナログ計算システムが空間的または時間的処理のみを実行するという制限を克服し、両方を同時に実行可能にする。
• グラフェンのフェルミ準位の外部電圧制御により、微分やエッジ検出といった計算機能の動的再構成を可能にする。
• フーリエ変換光学や大型部品を必要とせず、統合された空間的・時間的処理を実現する。
• メタサーフェス設計における浮遊ゲート構造により、初期化後は静的消費電力がほぼゼロになることを実証する。

提案手法

• メタサーフェスは、外部バイアス電圧により表面インピーダンスを電気的に制御可能な可変性を持つグラフェン単層膜を用い、空間的および時間的伝達関数を再構成する。
• 空間的および時間的周波数応答を解析的に設計するため、伝送線路（TL）モデルが用いられ、システムの伝達関数に対する精密な制御が可能になる。
• 空間的伝達関数は、フレネルの反射係数および偏光回転行列から導出され、微分の角度依存性をモデル化するために一次テイラー展開が用いられる。
• 時間的応答は、群遅延プロファイルを整形することで線形群遅延を実現し、フェーザー型の時間的パルス拡張を可能にする。
• フルウェーブ電磁界シミュレーションを用いてシステムを検証し、1次元信号および2次元画像において、理想のターゲット動作と比較した。
• 浮遊ゲート構造により、初期化後に外部電圧を除去可能であり、動作中に静的消費電力が発生しない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのメタサーフェスプラットフォームが、空間的および時間的領域で複数のスイッチ可能なアナログ計算機能を実行できるか？
• RQ2 統一された電磁気的モデルを用いて、空間的および時間的伝達関数を一体的に設計し、同時に処理を可能にする方法は何か？
• RQ3 グラフェンの可変表面伝導度が、リアルタイムでのアナログ計算操作の再構成をどの程度可能にするか？
• RQ4 波長未満の統合されたメタサーフェス構造において、空間的・時間的微分および位相制御の実現帯域幅と精度はどの程度達成可能か？
• RQ5 提案された設計は、高精度な信号処理を維持しつつ、ほぼゼロの静的消費電力を達成できるか？

主な発見

• メタサーフェスは、空間的等方的微分、エッジ検出、時間的1次微分、線形群遅延位相制御の間でスイッチ可能な動作を成功裏に実証した。
• 空間チャネルでは |k/k₀| < 0.2 の帯域幅を達成し、シミュレーション結果とターゲット伝達関数の間に優れた一致を示した。
• 時間チャネルでは 0.3 THz の帯域幅（6.45–6.95 THz）において線形群遅延応答を示し、正確な時間的パルス拡張を可能にした。
• フルウェーブシミュレーションにより、ガウス・サイン波ビームプロファイルおよびガウスパルス入力に対して、理想動作と一致する正確な処理が確認された。
• 浮遊ゲート設計により、初期バイアス後も持続的な動作が可能となり、静的消費電力がほぼゼロとなった。
• フーリエ光学を必要とせず、波長未満の統合が実現され、コンactでリアルタイムかつ並列な空間的・時間的信号および画像処理が可能になった。