[论文解读] Observation of Temporal Reflections and Broadband Frequency Translations at Photonic Time-Interfaces

Hady Moussa, Gengyu Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2022

Photonic Crystals and Applications被引用 9

一句话总结

该论文通过在具有均匀突变有效电容的开关传输线超材料中，实验演示了光子时间反射和宽带频率转换。通过同步开关构建时间界面，作者观测到时间反向波分量，并实现了时间法布里-珀罗腔，为时间超材料和具有空间与时间极端波控能力的弗洛凯光子系统奠定了基础原理。

ABSTRACT

Time-reflection is a uniform inversion of the temporal evolution of a signal, which arises when an abrupt change in the properties of the host material occurs uniformly in space. At such a time-interface, a portion of the input signal is time-reversed, and its frequency spectrum is homogeneously translated while its momentum is conserved, forming the temporal counterpart of a spatial interface. Combinations of time-interfaces, forming time-metamaterials and Floquet matter, exploit the interference of multiple time-reflections for extreme wave manipulation, leveraging time as a new degree of freedom. Here, we report the observation of photonic time-reflection and associated broadband frequency translation in a switched transmission-line metamaterial whose effective capacitance is homogeneously and abruptly changed via a synchronized array of switches. A pair of temporal interfaces are combined to demonstrate time-reflection-induced wave interference, realizing the temporal counterpart of a Fabry-Perot cavity. Our results establish the foundational building blocks to realize time-metamaterials and Floquet photonic crystals, with opportunities for extreme photon manipulation in space and time.

研究动机与目标

• 通过动态可重构传输线超材料，在光子系统中实验演示时间反射。
• 通过在空间上诱导材料属性的均匀、突变变化，利用时间界面实现宽带频率转换。
• 通过时间反射现象，验证空间干涉效应（如法布里-珀罗腔）的时间对应行为。
• 通过展示相干时间界面相互作用，建立时间超材料和弗洛凯光子晶体的平台。
• 探索时间作为光子学中极端波操控的新自由度的潜力。

提出的方法

• 制备了一种传输线超材料，其阵列中包含同步电子开关，以实现有效电容的瞬时、空间均匀变化。
• 在精确时间触发开关，创建光子时间界面，模拟信号时间演化的时间反演。
• 以超宽带微波信号激励系统，探测频率转换和时间反射效应。
• 通过使用两个时间分离的界面，工程化多重时间反射，形成时间腔。
• 测量反射与透射信号的频谱，以确认均匀的频率翻译和时间反演。
• 基于时变波动方程和阻抗边界条件的理论建模，验证了实验观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在具有动态可重构介质的光子系统中实验观测到时间反射？
• RQ2 利用单一时间界面，频率转换在超宽频带范围内可实现到何种程度？
• RQ3 时间反射引起的干涉是否能在时间域中模仿传统法布里-珀罗腔的行为？
• RQ4 时间反向信号的相干性与频谱内容与原始输入信号相比如何？
• RQ5 在何种条件下可利用工程化时间界面实现时间超材料？

主要发现

• 实验成功观测到时间反射，在输出信号中检测到可测量的时间反向分量，证实了时间波反演的理论预测。
• 实现了超宽带频率转换，反射信号的频谱在宽频带内均匀偏移，与均匀频率翻译的理论模型一致。
• 通过两个时间界面实现了时间法布里-珀罗腔，展示了时间反射波的共振增强，具有明显的频谱峰。
• 观测到的时间反射效率与频谱翻译与基于时变阻抗不连续性的理论模拟结果定量吻合。
• 系统展示了时间域中的动量守恒，时间反向信号在变换后的频带中保持了输入信号的频谱包络。
• 结果验证了利用时间界面作为时间超材料和可调谐、非互易、超宽带功能的弗洛凯光子系统构建模块的可行性。