[論文レビュー] What is Nonreciprocity? Part II

Christophe Caloz, Andrea Alù+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2018

Photonic and Optical Devices被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、線形時不変（LTI）、線形時変空間時間（LTV-ST）、非線形（NL）の3つのカテゴリに分類することで、電磁的非再帰性の理論的枠組みを拡張し、すべてのタイプに一般化されたSパラメータを導入するとともに、損失を伴う系が時間反転対称性を破る場合でも再帰的である可能性があることを明確にした。真の非再帰性は、単に場のレベルや強度の非対称性ではなく、時間反転における場の比の非対称性を要件とすることを確立し、モード変換器やミラーを含むレンズ系のような系では非再帰性と非対称伝送を混同しないよう警告している。

ABSTRACT

This paper is the second part of a two-part paper on \emph{Electromagnetic (EM) Nonreciprocity (NR)}. Part~I has defined NR, pointed out that linear NR is a stronger form of NR than nonlinear (NL) NR, explained EM Time-Reversal (TR) Symmetry (TRS) Breaking (TRS-B), described linear Time-Invariant (TI) NR media, generalized the Lorentz reciprocity theorem for NR, and provided a physical interpretation of the resulting Onsager-Casimir relations~\cite{Caloz_AWPL_NR_I_2018}. This part first explains the TR specificity of lossy and open systems. Next, it proposes an extended version of the S-parameters for \emph{all NR} systems. Then, it presents the fundamentals of linear-TI (LTI) NR, linear Time-Variant (LTV) Space-Time (ST) modulated NR and NL NR systems. Finally, it addresses confusions between with systems.

研究の動機と目的

• 線形および非線形系にわたる電磁的非再帰性の統一的理論的枠組みを確立すること。
• 損失を伴う系が時間反転対称性（TRS-B）を破るが、場の比が保存されるため再帰的である可能性があることを明確にすること。
• LTV-STおよび非線形系へのSパラメータの一般化を実施し、非再帰的挙動の体系的解析を可能にすること。
• モード変換器やレンズ・ミラー系のような系における非対称伝送と非再帰性を誤って混同するのを防ぐこと。
• 非線形非再帰的デバイスの根本的限界、特に一方向励起および隔離度対損失比の観点から明確にすること。

提案手法

• 損失を伴う開放系を含むように、オンサガー＝カシミール関係および一般化されたローレンツ再帰定理を拡張した。
• LTI、LTV-ST、非線形系に適用可能な拡張されたSパラメータ形式を導入し、制約が徐々に厳しくなるようにした。
• 時間反転対称性の破れ（TRS-B）を損失を伴う波ガイドで分析し、時間反転における場のレベルと比を比較することで、レベルの非対称性がある中でも場の比が等しいことが判明した。
• 空間時間変調を用いて線形系における再帰性の破れを実現し、静的バイアスとは明確に区別した。
• さまざまな系（非線形媒質、非対称波ガイドなど）に対して時間反転対称性テストを適用し、再帰性または非再帰性を検証した。
• 対称的な位相勾配やモードキャンセレーションを持つ系は、外見上非対称に見えるが、Sパラメータの再帰性が保持されていれば完全に再帰的であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形および非線形電磁系にわたる非再帰性を一貫して定義・分類する方法は何か？
• RQ2 なぜ損失を伴う系は時間反転対称性を破るが、場の比の観点では再帰的であるのか？
• RQ3 LTI媒質を超えて非再帰的系に一般化されたSパラメータの正しい定式化は何か？
• RQ4 非対称伝送が非再帰性と誤認される状況はどのようなものがあり、その混乱を回避するにはどうすればよいか？
• RQ5 非線形非再帰的デバイスにおける隔離度、挿入損失、ダイナミックレンジの観点から、根本的な制限は何か？

主な発見

• 損失を伴う系は、巨視的不可逆性のため時間反転対称性を破るが、時間反転において場の比が保存されるため再帰的である。
• 非線形非再帰的系は、一方向伝送を実現できるのは狭い強度範囲に限られ、通常25 dB未満の低い隔離度対損失比を示す。
• 一般化されたSパラメータ形式はLTV-STおよび非線形系へと拡張可能だが、適用範囲に制限が増える。
• 真の非再帰性は、単に場のレベルや強度の非対称性ではなく、時間反転における場の比の非対称性によって定義される。
• レンズ・ミラー積層構造やモード変換器のような系は、外見上非対称に見えるが、ソース・デバイスを入れ替えてもSパラメータの再帰性が成立していれば完全に再帰的である。
• 非線形非再帰的デバイスは、線形非再帰的隔離器が達成する高隔離度（>45 dB）および低損失を、根本的な物理的制約により達成できない。