[논문 리뷰] Digital building blocks for controlling random waves based on supersymmetry

Sunkyu Yu, Xianji Piao외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 28.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 24인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 다모드 포텐셜을 사용하여 공간적으로 무작위 파장을 디지털 제어하는 프레임워크를 제안하며, 대칭성 반전 고유모드를 통해 '꺼짐' 상태에서 완전한 격리가 가능하다. 조화형 및 Pöschl-Teller 포텐셜 쌍을 사용하여 이진 및 다수 수준의 스위칭을 구현하고, 다채널 디지털 포토닉스를 위한 전역적 위상일치 조건을 수립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 일관되지 않은 고유모드 역학으로 인해 무작위 파동 시스템에서 집단적 다모드 스위칭에 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 초대칭 포텐셜 쌍을 사용하여 랜덤 매질에서 임의의 파면을 디지털 제어할 수 있도록 하기 위해.
• 광대역 시스템에서 다모드 간섭성 동역학을 위한 전역적 위상일치 조건을 수립하기 위해.
• 랜덤 파장을 사용한 이진 및 다값 논리 연산의 실용적 빌딩 블록을 시현하기 위해.
• 랜덤 파동 전파의 결정론적 제어를 통해 다채널 디지털 포토닉스의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 등스펙트럴 고유모드를 갖는 쌍체 다모드 포텐셜을 생성하기 위해 초대칭 양자역학을 활용한다.
• 모든 고유모드의 위상을 동시에 반전시키는 위상 대칭 포텐셜 변환을 적용한다.
• 조화형 포텐셜 쌍을 사용하여 이진 스위칭을 실현하고, 임의의 파면에 대한 케이스/오프 제어를 가능하게 한다.
• Pöschl-Teller 포텐셜 쌍을 사용하여 흐린 소속 함수 행동을 구현하는 다수 수준의 스위칭을 실현한다.
• 모든 고유모드를 관통하는 전역적 위상일치 조건을 수립하여 다모드 간섭성 반응을 보장한다.
• 대칭성 유도의 투과 억제를 통해 '꺼짐' 상태에서 완전한 파동 격리를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초대칭 포텐셜 쌍은 공간적으로 무작위 파장을 결정론적으로 디지털 제어할 수 있는가?
• RQ2 다모드 무작위 파동 시스템에서 모든 고유모드에 걸쳐 전역적 위상일치를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 초대칭 기반 설계는 랜덤 파장을 위한 이진 및 다수 수준 논리 연산을 지원할 수 있는가?
• RQ4 위상 반전은 '꺼짐' 상태에서 랜덤 파장을 완전히 격리하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 흐린 소속 함수는 초대칭 포텐셜을 사용한 파동 기반 논리에서 어떻게 물리적으로 실현될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 위상 대칭 포텐셜에 대한 초대칭 변환은 모든 고유모드의 위상을 반전시키며, 이는 '꺼짐' 상태에서 완전한 파동 격리를 가능하게 한다.
• 조화형 포텐셜 쌍은 완전한 투과 제어와 완전한 격리를 가능하게 하여 임의의 파면에 대한 이진 스위칭을 실현한다.
• Pöschl-Teller 포텐셜 쌍은 아날로그 유사 논리 연산을 위한 흐린 소속 함수를 실현하는 다수 수준 스위칭을 달성한다.
• 이 방법은 모든 고유모드를 관통하는 전역적 위상일치 조건을 설정하여 간섭성 다모드 동역학을 보장한다.
• 이 프레임워크는 제한된 수동 다모드 장치의 한계를 극복하고 광대역 결정론적 랜덤 파동 제어를 가능하게 한다.
• 결과는 랜덤 파동 시스템을 프로그래밍 가능한 매체로 사용하여 다채널 디지털 포토닉스의 기초를 제공한다.