[论文解读] What is Nonreciprocity? Part II

Christophe Caloz, Andrea Alù+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2018

Photonic and Optical Devices被引用 3

一句话总结

本文通过将电磁非互易系统分类为线性时不变（LTI）、线性时变时空（LTV-ST）和非线性（NL）三类，扩展了电磁非互易性的理论框架，为所有类型引入广义S参数，并阐明了即使破坏时间反演对称性，损耗系统仍可保持互易性。研究确立了真正的非互易性需满足时间反演下场强比值的不对称性，而非仅场强或强度的不对称性，并警告不应将模式转换器或带镜面透镜系统中出现的非对称传输误认为是非互易性。

ABSTRACT

This paper is the second part of a two-part paper on \emph{Electromagnetic (EM) Nonreciprocity (NR)}. Part~I has defined NR, pointed out that linear NR is a stronger form of NR than nonlinear (NL) NR, explained EM Time-Reversal (TR) Symmetry (TRS) Breaking (TRS-B), described linear Time-Invariant (TI) NR media, generalized the Lorentz reciprocity theorem for NR, and provided a physical interpretation of the resulting Onsager-Casimir relations~\cite{Caloz_AWPL_NR_I_2018}. This part first explains the TR specificity of lossy and open systems. Next, it proposes an extended version of the S-parameters for \emph{all NR} systems. Then, it presents the fundamentals of linear-TI (LTI) NR, linear Time-Variant (LTV) Space-Time (ST) modulated NR and NL NR systems. Finally, it addresses confusions between with systems.

研究动机与目标

• 建立适用于线性和非线性系统的统一电磁非互易性理论框架。
• 阐明尽管损耗系统会破坏时间反演对称性（TRS-B），但由于场强比值保持不变，仍可保持互易性。
• 将S参数推广至LTV-ST和非线性系统，实现对非互易行为的系统性分析。
• 区分真正的非互易性与模式转换器或透镜-镜面系统等中出现的误导性非对称传输。
• 揭示非线性非互易器件的根本局限性，包括单向激励、隔离度与插入损耗比值差等。

提出的方法

• 将Onsager-Casimir关系和广义Lorentz互易定理扩展至包含损耗和开放系统。
• 提出一种适用于LTI、LTV-ST和非线性系统的扩展S参数形式化方法，约束条件逐级增加。
• 通过比较时间反演下场强与场强比值，分析损耗波导中的时间反演对称性破坏，发现尽管场强不对称，场强比值仍保持相等。
• 利用时空调制作为打破线性系统互易性的机制，与静态偏置不同。
• 对多种系统（包括非线性介质和非对称波导）应用时间反演对称性检验，以验证其互易性或非互易性。
• 证明具有对称相位梯度或模式抵消的系统可能表现出表观非对称性，但若S参数在源-探测器互换后仍保持互易，则系统本身仍为互易。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在电磁线性和非线性系统中一致地定义和分类非互易性？
• RQ2 为何损耗系统会破坏时间反演对称性却仍能保持场强比值的互易性？
• RQ3 非线性系统中S参数的正确推广形式是什么，超越LTI介质的范畴？
• RQ4 非对称传输在哪些情况下会被误认为是非互易性，以及如何避免此类混淆？
• RQ5 非线性非互易器件在隔离度、插入损耗和动态范围方面存在哪些根本性限制？

主要发现

• 损耗系统由于宏观不可逆性而破坏时间反演对称性，但因时间反演下场强比值保持不变，故仍为互易系统。
• 非线性非互易系统仅在极窄的强度范围内表现出单向传输，且隔离度与插入损耗比值通常低于25 dB，性能较差。
• 广义S参数形式化方法可推广至LTV-ST和非线性系统，但适用性受到逐步增加的限制。
• 真正的非互易性由时间反演下场强比值的不对称性定义，而非仅场强或强度的不对称性。
• 如透镜-镜面夹层或模式转换器等系统，即使表现出非对称性，只要S参数在源-探测器互换后保持互易，则系统仍为完全互易。
• 由于基本物理限制，非线性非互易器件无法实现线性非互易隔离器所具备的高隔离度（>45 dB）和低插入损耗特性。