Нестационарные оптические среды как платформа для аналоговых суперкомпьютеров

Левковская В.М., Харитонов А.В., Харинцев С.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Левковская В.М., Харитонов А.В., Харинцев С.С. Нестационарные оптические среды как платформа для аналоговых суперкомпьютеров // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 5–15. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-05-5-15

Levkovskaya V.M., Kharitonov A.V., Kharintsev S.S. Time-varying media for analog optical computing [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 5. P. 5–15. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-05-5-15

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Новый класс искусственных электромагнитных сред — нестационарные материалы, отличительной особенностью которых является быстрая модуляция оптических параметров среды на сверхкоротких временах, сравнимых или меньших периода волны. Цель работы. Разработка новой платформы для реализации аналоговых оптических вычислений. Для этого исследованы зависимости амплитуд и частот волн, образовавшихся в результате взаимодействия падающей электромагнитной волны с нестационарной средой, от длительности переключения диэлектрической проницаемости и спектральной дисперсии. Метод. Амплитуды отраженных и преломленных электромагнитных волн рассчитаны путем решения уравнений Максвелла методом конечных элементов во временно'й области. Для описания нестационарной среды со спектральной дисперсией использована модель Лоренца, в которой плазменная частота является функцией времени. Влияние длительности переключения исследовано с помощью модели сигмоидального временного профиля переключения. Основные результаты. Показано, что при наличии в среде лоренцевской дисперсии в спектре отраженных/преломленных электромагнитных волн может возникать не одна, а несколько компонент, сдвинутых относительно частоты падающего излучения. Изменение скорости и глубины переключения диэлектрической проницаемости среды позволяет регулировать амплитуды и частоты образовавшихся волн соответственно. Для наблюдения отраженной волны длительность переключения должна быть сравнима или меньше периода падающей волны. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при реализации оптических устройств нового поколения. Возможность гибкого управления амплитудами волн путем настройки временной модуляции пространственно-однородных сред открывает новые перспективы в создании аналоговых оптических компьютеров.

Ключевые слова:

нестационарные среды, дисперсия, аналоговые вычисления, метаматериалы

Благодарность:

работа выполнена за счет средств Российского научного фонда (грант № 22-72-00091)

Коды OCIS: 190.7110, 230.4320, 260.7120

Список источников:

1. Silva A., Monticone F., Castaldi G., et al. Performing mathematical operations with metamaterials // Science. 2014. V. 343. № 6167. P. 160–163. http://doi.org/10.1126/science.1242818
2. Zangeneh-Nejad F., Sounas D.L., Alù A., et al. Analogue computing with metamaterials // Nature Rev. Mater. 2021. V. 6. № 3. P. 207–225. http://doi.org/10.1038/s41578-020-00243-2
3. Mohammadi Estakhri N., Edwards B., Engheta N. Inverse-designed metastructures that solve equations // Science. 2019. V. 363. № 6433. P. 1333–1338. http:// doi.org/10.1126/science.aaw2498
4. Li C., Li J., Fang T., et al. The challenges of modern computing and new opportunities for optics // PhotoniX. 2021. V. 2. № 1. P. 1–31. http://doi.org/10.1186/s43074-021-00042-0
5. Pakhomov A., Arkhipov R., Arkhipov M.,et al. Temporal differentiation and integration of few-cycle pulses by ultrathin metallic films // Opt. Lett. 2021. V. 46. № 12. P. 2868–2871. http://doi.org/10.1364/OL.428238
6. Pakhomov A.V. Time integration and differentiation of unipolar pulses of unusual shape // Quantum Electronics. 2021. V. 51. № 11. P. 1000. http://doi.org/10.1070/QEL17642

7. Galiffi E., Tirole R., Yin S., et al. Photonics of timevarying media // Advanced Photonics. 2022. V. 4. № 1. P. 014002–014002. http://doi.org/10.1117/1.AP.4.1.014002
8. Шварцбург А.Б. Оптика нестационарных сред // УФН. 2005. Т. 175. № 8. С. 833–861. https://doi.org/10.3367/UFNr.0175.200508c.0833 Shvartsburg A.B. Optics of nonstationary media // Physics-Uspekhi. 2005. V. 48. № 8. P. 797. https://doi.
org/10.1070/PU2005v048n08ABEH002119
9. Caloz C., Deck-Leger Z.L. Spacetime metamaterials — part II: Theory and applications // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2019. V. 68. № 3. P. 1583–1598. http://doi: 10.1109/TAP.2019.2944216
10. Sounas D.L., Alù A. Non-reciprocal photonics based on time modulation // Nature Photonics. 2017. V. 11. № 12. P. 774–783. http://doi.org/10.1038/s41566-017-0051-x
11. Martínez-Romero J.S., Halevi P. Parametric resonances in a temporal photonic crystal slab // Phys. Rev. A. 2018. V. 98. № 5. P. 053852. http://doi.org/10.1103/ PhysRevA.98.053852
12. Болотовский Б.М., Давыдов В.А., Рок В.Е. Излучение электромагнитных волн в случае плавного изменения параметров излучающей системы // УФН. 1982. Т. 136. № 3. С. 501–517. https://doi.org/10.3367/ UFNr.0136.198203e.0501
Bolotovskiĭ B.M., Davydov V.A., Rok V.E. The emission of electromagnetic waves in the case of a smooth variation of parameters of a radiating system // Soviet Physics Uspekhi. 1982. V. 25. № 3. P. 167. https://doi. org/10.1070/PU1982v025n03ABEH004521
13. Silveirinha M.G. Optical instabilities and spontaneous light emission by polarizable moving matter // Phys. Rev. X. 2014. V. 4. № 3. P. 031013. http://doi.org/10.1103/PhysRevX.4.031013
14. Mencagli M.J., Sounas D.L., Fink M., et al. Static-todynamic field conversion with time-varying media // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. № 14. P. 144301. http://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.144301
15. Lustig E., Segal O., Saha S., et al. Time-refraction optics with single cycle modulation // Nanophotonics. 2023. V. 12. № 12. P. 2221–2230. http://doi.org/10.1515/ nanoph-2023-0126
16. Liu C., Alam M.Z., Pang K., et al. Tunable Doppler shift using a time-varying epsilon-near-zero thin film near 1550 nm // Opt. Lett. 2021. V. 46. № 14. P. 3444–3447. http://doi.org/10.1364/OL.430106
17. Pang K., Alam M.Z., Zhou Y., et al. Adiabatic frequency conversion using a time-varying epsilon-near-zero metasurface // Nano Lett. 2021. V. 21. № 14. P. 5907–5913. http://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00550
18. Jaffray W., Saha S., Shalaev, et al. Transparent conducting oxides: From all-dielectric plasmonics to a new paradigm in integrated photonics // Advances in Optics and Photonics. 2022. V. 14. № 2. P. 148–208. http://doi.org/10.1364/AOP.448391
19. Alam M.Z., De Leon I., Boyd R.W. Large optical nonlinearity of indium tin oxide in its epsilon-near-zero region // Science. 2016. V. 352. № 6287. P. 795–797. http://doi.org/10.1126/science.aae0330
20. Arkhipov R.M., Arkhipov M.V., Babushkin I., et al. Ultrafast creation and control of population density gratings via ultraslow polarization waves // Opt. Lett. 2016. V. 41. № 21. P. 4983–4986. http://doi.org/10.1364/OL.41.004983
21. Arkhipov R.M., Pakhomov A.V., Arkhipov M.V., et al. Population density gratings induced by few-cycle optical pulses in a resonant medium // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 12467. http://doi.org/10.1038/s41598-017-12267-w
22. Zhang S., Li S., Bai Y., et al. Analysis of laser-induced transient population gratings by different types of exciting pulse // J. Nanophotonics. 2023. V. 17. № 1. P. 016013. http://doi.org/10.1117/1.JNP.17.01601
23. Shaltout A.M., Shalaev V.M., Brongersma M.L. Spatiotemporal light control with active metasurfaces // Science. 2019. V. 364. № 6441. P. eaat3100. http://doi.org/10.1126/science.aat3100
24. Mendonça J.T., Shukla P.K. Time refraction and time reflection: Two basic concepts // Physica Scripta. 2002. V. 65. № 2. P. 160. http://doi.org/10.1238/Physica.Regular.065a00160
25. Pacheco-Peña V., Engheta N. Antireflection temporal coatings // Optica. 2020. V. 7. № 4. P. 323–331. http://doi.org/10.1364/OPTICA.381175
26. Mendonça J.T., Martins A.M., Guerreiro A. Temporal beam splitter and temporal interference // Phys. Rev. A. 2003. V. 68. № 4. P. 043801. http://doi.org/10.1103/PhysRevA.68.043801
27. Cirone M., Rzaz-Dotewski K., Mostowski J. Photon generation by time-dependent dielectric: A soluble model // Phys. Rev. A. 1997. V. 55. № 1. P. 62. http:// doi.org/10.1103/PhysRevA.55.62
28. Harfoush F., Taflove A. Scattering of electromagnetic waves by a material half-space with a timevarying conductivity // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1991. V. 39. № 7. P. 898–906. http://doi:10.1109/8.86907
29. Zurita-Sánchez J.R., Abundis-Patiño J.H., Halevi P. Pulse propagation through a slab with time-periodic dielectric function ε(t) // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 5. P. 5586–5600. http://doi.org/10.1364/OE.20.005586
30. Morgenthaler F.R. Velocity modulation of electromagnetic waves // IRE Trans. Microwave Theory and Techniques. 1958. V. 6. № 2. P. 167–172. http://doi: 10.1109/TMTT.1958.1124533
31. Felsen L., Whitman G. Wave propagation in timevarying media // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1970. V. 18. № 2. P. 242–253. http://doi: 10.1109/TAP.1970.1139657
32. Klopfenstein R.W. A transmission line taper of improved design // Proc. IRE. 1956. V. 44. № 1. P. 31–35. http://doi: 10.1109/JRPROC.1956.274847
33. Hayran Z., Khurgin J.B., Monticone F. ħω versus ħk: Dispersion and energy constraints on time-varying photonic materials and time crystals // Opt. Mater. Exp. 2022. V. 12. № 10. P. 3904–3917. http://doi.org/10.1364/OME.471672
34. Переломов А.М., Попов В.С., Терентьев М.В. Ионизация атомов в переменном электрическом поле // ЖЭТФ. 1966. Т. 50. № 5. С. 1393–1409. Perelomov A.M., Popov V.S., Terent’ev M.V. Ionization of atoms in an alternating electric field // Sov. Phys. JETP. 1966. V. 23. № 5. P. 924–934.
35. Желтиков А.М. Теория фотоионизации Келдыша: сквозь барьеры // УФН. 2017. Т. 60. № 11. P. 1087. С. 1087–1120. http://dx.doi.org/10.3367/UFNr.2017.08.038198 Zheltikov A.M. Keldysh photoionization theory: Through the barriers // Physics-Uspekhi. 2017. V. 60. № 11. P. 1087. https://doi.org/10.3367/ufne.2017.08.038198
36. Bogatskaya A., Gulina Y., Smirnov N., et al. An experimental study of multiphoton ionization in fused silica at IR and visible wavelengths // Photonics. — MDPI. 2023. V. 10. № 5. P. 515. http://doi.org/10.3390/photonics10050515
37. Savitsky I.V., Voronin A.A., Stepanov E.A., et al. Sub-cycle pulse revealed with carrier-envelope phase control of soliton self-compression in anti-resonant hollow-core fiber // Opt. Lett. 2023. V. 48. № 17. P. 4468–4471. http://doi.org/10.1364/OL.499008
38. Travers J.C. Optical solitons in hollow-core fibres // Opt. Commun. 2023. P. 130191. http://doi.org/10.1016/ j.optcom.2023.130191
39. Fedotov A.B., Serebryannikov E.E., Zheltikov A.M. Ionization-induced blueshift of high-peak-power guided-wave ultrashort laser pulses in hollow-core photonic-crystal fibers // Phys. Rev. A. 2007. V. 76. № 5. P. 053811. http://doi.org/10.1103/PhysRevA.76.053811