[논문 리뷰] Time-Reflection of Microwaves by a Fast Optically-Controlled Time-Boundary

Thomas R. Jones, Alexander V. Kildishev외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 03.

Advanced Photonic Communication SystemsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 로드된 PIN 광다이오드를 갖춘 광학적으로 제어되는 피코초 스위치가 가능한 마이크로스트립 선로를 사용하여 0.59 GHz에서 마이크로파 펄스의 시간 반사성을 입증한다—지금까지 관측된 바 중 가장 높은 주파수이다. 실험은 시간 반사파에서 위상 공액성과 시간 역전의 직접적인 실험적 증거를 제공하며, 마이크로파 주파수에서 광학적 시간 결정 물리학의 핵심 예측을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파 주파수에서 전자기파의 시간 반사를 실험적으로 입증하는 것, 특히 지금까지 달성된 바 중 가장 높은 캐리어 주파수에서 수행하는 것.
• 이론적 모델이 예측한 시간 경계 반사의 시간 반전 및 위상 공액성 특성을 가진 시간 반사파의 성질을 검증하는 것.
• 초고속 광다이오드를 활용한 임피던스의 초고속 시간 조절을 위한 실용적이고 재구성 가능한 마이크로파 플랫폼을 개발하는 것.
• 근접한 순간의 임피던스 스위칭을 달성하여 기가헤르츠 주파수에서 광학적 시간 결정(PMC)의 실험적 실현을 가능하게 하는 것.
• 미래의 마이크로파 신호 처리, 인공지능 기반 항법 및 위성 통신에 대응하는 확장 가능하고 실생활 적용 가능한 시스템을 제공하는 것.

제안 방법

• 표면 실장형 PIN 광다이오드를 갖춘 주기적으로 로드된 마이크로스트립 전송선로를 사용하여 특성 임피던스의 급격한 변화를 유도한다. 이 광다이오드는 피코초 범위에서 스위칭된다.
• 레이저 펄스 열을 사용하여 광학적으로 제어하여 마이크로파 신호의 단일 주기 내에서 시간 경계 이벤트를 유도한다.
• 전기적 길이가 최소화되고 대역폭이 최적화된 마이크로스트립 선로를 설계하여 시간 조절 이벤트 동안 펄스의 완전한 구속을 확보한다.
• 고대역폭 옛스코프를 사용하여 입력, 전달 및 시간 반사 펄스의 시간 해상도 측정을 수행하여 진폭, 위상 및 주파수 이동을 분석한다.
• 이론적 모델(예: 운동량 보존 및 파수벡터 공액성)과의 비교를 통해 스펙트럼 위상 분석을 수행하여 위상 공액성을 확인한다.
• 비선형 위상이 있는 채널 펄스를 사용하여 반사파에서 시간 역전 행동을 실험적으로 입증하며, 반사 신호의 양의 위상 기울기를 통해 확인한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5 GHz 이상의 주파수에서, 주기 이하의 스위칭 요구 조건을 충족시키기 위해 마이크로파 펄스의 시간 반사를 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 시간 반사파는 시간 경계 반사 이론 모델이 예측한 바와 같이 위상 공액성 및 시간 역전 행동을 나타내는가?
• RQ3 전송선로의 유한한 길이가 시간 반사파의 주파수 이동 및 위상 응답에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 상용 고속 광다이오드를 활용한 실용적이고 재구성 가능한 마이크로파 회로가 관측 가능한 시간 반사에 필요한 임피던스 조절 대역폭을 확보할 수 있는가?
• RQ5 실험 결과는 스펙트럼 이동 및 위상 진화에 대한 이론적 예측과 정량적으로 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 실험은 지금까지 보고된 바 중 가장 높은 주파수인 0.59 GHz에서 마이크로파 펄스의 시간 반사를 달성하였다.
• 시간 반사파는 0.43 GHz에서 약 -196.6도의 위상 이동을 보였으며, 입력 신호에 비해 거의 180도의 위상 이동을 보여 위상 공액성을 확인하였다.
• 시간 반사 펄스의 위상 기울기는 양의 값을 가지며, 음의 위상 누적(시계 방향 회전)을 나타내어 시간 역전 행동과 일치한다.
• 시간 반사파와 전달파의 주파수 이동 비율은 각각 0.74와 0.88로 측정되었으며, 이는 이론적 예측값 0.67에서 유한한 선로 길이 영향으로 약간의 편차를 보였다.
• 비선형 위상이 있는 채널 펄스를 사용하여 반사파의 시간 역전 성질을 실험적으로 확인하였으며, 반사 신호는 입력 및 전달 신호와 반대되는 양의 위상 기울기를 보였다.
• 이론, 시뮬레이션 및 측정 간에 뛰어난 일치가 관찰되어 마이크로파 시스템에서 시간 반사의 기본 성질을 검증하였다.

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_