[論文レビュー] Time-Reflection of Microwaves by a Fast Optically-Controlled Time-Boundary

Thomas R. Jones, Alexander V. Kildishev+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2023

Advanced Photonic Communication SystemsEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、周期的に配置されたPINフォトダイオードを備えた光で制御されるピコ秒スイッチ可能なマイクロストリップ線を用いて、0.59 GHzというこれまでに観測された中で最も高い周波数でマイクロ波パルスの時間反転を実証した。実験は、時間反転波における位相共役性と時間反転の直接的実験的証明を提供し、マイクロ波周波数における光子的時間結晶物理学の主要な予測を裏付けた。

ABSTRACT

When an electromagnetic (EM) wave is propagating in a medium whose properties are varied abruptly in time, the wave experiences refractions and reflections known as "time-refractions" and "time-reflections", both manifesting spectral translation as a consequence of the abrupt change of the medium and the conservation of momentum. However, while the time-refracted wave continues to propagate with the same wave-vector, the time-reflected wave is propagating backward with a conjugate phase, despite the lack of any spatial interface. Importantly, while time-refraction is always significant, observing time-reflection poses a major challenge - because it requires a large change in the medium occurring within a single cycle. For that reason, time-reflection of EM waves was observed only recently. Here, we present the observation of microwave pulses at the highest frequency ever observed (0.59 GHz), and the experimental evidence of the phase-conjugation nature of time-reflected waves. Our experiments are carried out in a periodically-loaded microstrip line with optically-controlled picosecond-switchable photodiodes. Our system paves the way to the experimental realization of Photonic Time-Crystals at GHz frequencies.

研究の動機と目的

• マイクロ波周波数における電磁波の時間反転を実験的に実証すること、特にこれまでに達成された中で最も高いキャリア周波数を対象とすること。
• 時間境界反射の理論的モデルが予測するように、時間反転波が位相共役的かつ時間反転的性質を示すことを検証すること。
• 超高速フォトダイオードを用いてインピーダンスの超高速時間的変調を実現する、実用的で再構成可能なマイクロ波プラットフォームの開発。
• 近似的に瞬時のインピーダンススイッチングを達成することで、ギガヘルツ周波数帯での光子的時間結晶（PTC）の実験的実現を可能とすること。
• 将来的なマイクロ波信号処理、AI駆動のナビゲーション、および衛星通信に適したスケーラブルで現実世界対応のシステムを提供すること。

提案手法

• 表面実装型PINフォトダイオードを周期的に配置したマイクロストリップ伝送線路を採用し、ピコ秒スケールでスイッチングするインピーダンスの急激な変化を誘発する。
• マイクロ波信号の1周期内に時間境界イベントを引き起こすために、レーザー・パルス列を用いてフォトダイオードを光で制御する。
• 時間的変調イベント中におけるパルスの完全な閉じ込めを保証するため、最小限の電気的長さと最適化されたバンド幅を持つマイクロストリップ線を設計する。
• 入力波、透過波、および時間反転波の時間分解測定を、高帯域幅オシロスコープを用いて実施し、振幅、位相、周波数変換を分析する。
• 理論的モデル（例えば、運動量保存則および波数共役）と比較したスペクトル位相解析により、位相共役性を確認する。
• 非線形位相を有するチープドパルスを用いて、反射波における時間反転行動を実験的に示し、反射信号に正の位相勾配が観測されたことで確認する。

Figure 1 : A conceptual 3D illustration of a time boundary’s impact on a two-peak asymmetric pulse. An input two-peak assymetric pulse (yellow ”input pulse”) with the smaller amplitude peak leading the larger, propagates along a periodically-loaded microstrip transmission line. The effective impedan

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブサイクルスイッチングという厳しい要件を満たす条件下で、0.5 GHzを超える周波数帯でのマイクロ波パルスの時間反転が実験的に観測可能か？
• RQ2 理論的モデルによる時間境界反射の予測通り、時間反転波が位相共役性および時間反転的性質を示すか？
• RQ3 伝送線路の有限長さが、時間反転波の周波数変換および位相応答に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 市販の超高速フォトダイオードを用いた実用的で再構成可能なマイクロ波回路が、観測可能な時間反転を達成するための必要なインピーダンス変調帯域幅を満たせるか？
• RQ5 実験結果が、周波数変換および位相進化に関する理論的予測と定量的にどの程度一致するか？

主な発見

• 本実験では、0.59 GHzというこれまでに報告された中で最も高いキャリア周波数でマイクロ波パルスの時間反転を達成した。
• 時間反転波は0.43 GHzで約-196.6度の位相シフトを示し、入力信号に対してほぼ180度のシフトに近く、位相共役性が確認された。
• 時間反転パルスの位相勾配は正であったため、負の位相蓄積（時計回り回転）を示し、時間反転行動と整合的であった。
• 時間反転波および透過波の周波数変換比は、それぞれ0.74および0.88であったが、理論値の0.67からわずかに逸脱しており、これは線路の有限長さに起因する。
• 非線形位相を有するチープドパルスを用いた実験により、反射波の時間反転性が実験的に確認された。その際、反射信号には入力波および透過波とは逆に正の位相勾配が観測された。
• 理論、シミュレーション、測定の間で良好な一致が観察され、マイクロ波システムにおける時間反転の基本的性質が裏付けられた。

Figure 2 : The equivalent circuit of a time-reconfigurable periodically-loaded microstrip line. a , Circuit diagram of a time-switched capacitor, where a high-speed photodiode triggered by an optical pulse changes the impedance of the load from State 1 with $C_{1}=C_{\mathrm{a}}$ to State 2 with $C_