[论文解读] Switchable and Simultaneous Spatiotemporal Analog Computing

Ali Momeni, Kasra Rouhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 67被引用 7

一句话总结

本文提出一种可重构的石墨烯基超表面，用于可切换且同步的时空模拟计算，通过静电偏置实现实时的空间与时间信号/图像处理。通过采用传输线模型设计空间与时间的转移函数，该器件实现了可切换的操作，包括边缘检测、各向同性微分以及线性群延迟调相，且由于其浮空栅极设计，静态功耗接近零。

ABSTRACT

Optical wave-based computing has enabled the realization of real-time information processing in both space and time domains. In the past few years, analog computing has experienced rapid development but mostly for a single function. Motivated by parallel space-time computing and miniaturization, we show that reconfigurable graphene-based metasurfaces offer a promising path towards spatiotemporal computing with integrated functionalities by properly engineering both spatial- and temporal-frequency responses. This paper employs a tunable graphene-based metasurface to enable analog signal and image processing in both space and time by tuning the electrostatic bias. In the first part of the paper, we propose a switchable analog computing paradigm in which the proposed metasurface can switch among defined performances by selecting a proper external voltage for graphene monolayers. Spatial isotropic differentiation and edge detection in the spatial channel and first-order temporal differentiation and metasurface-based phaser with linear group-delay response in the temporal channel are demonstrated. In the second section of the paper, simultaneous and parallel spatiotemporal analog computing is demonstrated. The proposed metasurface processor has almost no static power consumption due to its floating-gate configuration. The spatial- and temporal-frequency transfer functions (TFs) are engineered by using a transmission line (TL) model, and the obtained results are validated with full-wave simulations. Our proposal will enable real-time parallel spatiotemporal analog signal and image processing.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低功耗的平台，用于在空间和时间域中实现实时模拟信号与图像处理。
• 克服现有模拟计算系统仅能执行空间或时间操作、无法同时进行的局限性。
• 通过外部电压调控石墨烯费米能级，实现计算功能（如微分与边缘检测）的动态重构。
• 在无需傅里叶光学或大型组件的情况下，实现集成化的时空处理。
• 通过超表面设计中的浮空栅极结构，实现接近零的静态功耗。

提出的方法

• 超表面采用可调谐的石墨烯单层，其表面阻抗通过外部偏置电压电控调节，以重构空间与时间的转移函数。
• 采用传输线（TL）模型进行解析设计，以精确控制系统的转移函数，实现空间与时间频率响应的调控。
• 空间转移函数基于菲涅尔反射系数与偏振旋转矩阵推导，一阶泰勒展开用于建模角度敏感性以实现微分。
• 通过整形群延迟轮廓，实现线性群延迟，从而实现基于相位器的时间脉冲展宽。
• 通过全波电磁仿真验证系统性能，将结果与理想目标操作在一维信号与二维图像上进行对比。
• 浮空栅极结构使外部电压在初始化后可移除，确保运行期间无静态功耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一超表面平台是否能够同时在空间与时间域中执行多种可切换的模拟计算功能？
• RQ2 如何利用统一的电磁模型协同设计空间与时间的转移函数，以实现同步处理？
• RQ3 石墨烯可调谐表面电导率在多大程度上可实现模拟计算操作的实时重构？
• RQ4 在亚波长、集成化的超表面架构中，时空微分与调相的可实现带宽与精度如何？
• RQ5 所提出的结构是否能在保持高保真信号处理的同时，实现接近零的静态功耗？

主要发现

• 超表面成功演示了在空间各向同性微分、边缘检测、时间一阶微分以及线性群延迟调相之间的可切换操作。
• 空间通道的带宽为 |k/k₀| < 0.2，仿真结果与目标转移函数高度一致。
• 时间通道在 0.3 THz 带宽（6.45–6.95 THz）内表现出线性群延迟响应，实现精确的时间脉冲展宽。
• 全波仿真证实，该超表面能准确处理高斯-正弦光束轮廓与高斯脉冲输入，其结果与理想操作完全匹配。
• 浮空栅极设计可实现持续运行而无需持续供电，实现初始偏置后接近零的静态功耗。
• 系统实现亚波长集成，无需傅里叶光学，实现紧凑、实时、并行的时空信号与图像处理。