[论文解读] Digital building blocks for controlling random waves based on supersymmetry

Sunkyu Yu, Xianji Piao+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于超对称多模势场的时空随机波数字控制框架，通过宇称反演本征模实现在关断状态下的完全隔离。该研究利用谐振与Pöschl-Teller势对实现二元及多级切换，确立了多通道数字光子学的全局相位匹配条件。

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.

研究动机与目标

• 为克服由于本征模动力学不一致导致的随机波系统中集体多模切换的挑战。
• 通过超对称势对实现对随机介质中任意波前的数字控制。
• 在宽带系统中建立相干多模动力学的全局相位匹配条件。
• 通过随机波实现二元及多值逻辑运算的实际构建模块。
• 通过确定性控制随机波传播，为多通道数字光子学奠定基础。

提出的方法

• 利用超对称量子力学生成具有等谱本征模的配对多模势场。
• 应用宇称对称势变换，同时反转所有本征模的宇称。
• 采用谐振势对实现二元切换，实现对任意波前的开/关控制。
• 采用Pöschl-Teller势对实现多级切换，表现出模糊隶属函数行为。
• 在所有本征模间建立全局相位匹配条件，以确保相干多模响应。
• 通过对称性诱导的传输抑制，在关断状态下实现完全波隔离。

实验结果

研究问题

• RQ1 超对称势对能否实现对时空随机波的确定性数字控制？
• RQ2 在多模随机波系统中，如何在所有本征模间实现全局相位匹配？
• RQ3 基于超对称的设计能否支持随机波的二元与多级逻辑运算？
• RQ4 宇称反转在实现关断状态下随机波完全隔离中起什么作用？
• RQ5 如何在基于波的逻辑中通过超对称势物理实现模糊隶属函数？

主要发现

• 任意宇称对称势的超对称变换可诱导所有本征模的宇称反转，从而实现在关断状态下的完全波隔离。
• 谐振势对可实现对任意波前的二元切换，具备完全传输控制与完全隔离能力。
• Pöschl-Teller势对可实现多级切换，其行为可实现模拟类逻辑运算的模糊隶属函数。
• 该方法在所有本征模间建立了全局相位匹配条件，确保相干多模动力学。
• 该框架实现了对随机波的宽带、确定性控制，克服了被动多模器件的局限性。
• 研究结果为利用随机波系统作为可编程介质的多通道数字光子学奠定了基础。