Блог

Jul 29, 2023

Производные по времени через соединенные волноводы

Том 13 научных докладов, номер статьи: 13126 (2023) Цитировать эту статью 5013 Доступов 3 Подробности об альтернативных метриках Аналоговые вычисления на основе электромагнитных волн стали интересными вычислениями

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13126 (2023) Цитировать эту статью

5013 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Аналоговые вычисления на основе электромагнитных волн стали интересной вычислительной парадигмой, демонстрирующей потенциал для высокопроизводительных, маломощных и параллельных операций. В этой работе мы предлагаем метод расчета производных временных сигналов с использованием методов линий передачи. Мы рассматриваем несколько соединенных между собой волноводов (некоторые из них представляют собой шлейфы с закрытыми концами), образующих соединения. Коэффициент передачи предложенной структуры затем адаптируется путем управления длиной и количеством шлейфов на стыке, так что операция дифференцирования применяется непосредственно к огибающей падающего сигнала, синусоидально модулированного во временной области. Подробно объяснена физика, лежащая в основе предложенной структуры, и представлено полное теоретическое описание этой операции, демонстрирующее, как этот метод можно использовать для расчета производных по времени более высокого порядка или даже дробных. Мы предполагаем, что эти результаты могут позволить разработать дальнейшие аналоговые процессоры на основе волн во временной области за счет использования волноводных переходов, открывая новые возможности для одиночных операторов и систем на основе волн.

В последние годы возникла потребность в новых вычислительных парадигмах, вызванная главным образом растущей сложностью поддержания исторического уровня ускорения вычислений, описываемого законом Мура1,2. В этом контексте аналоговые вычисления, использующие электромагнитные (ЭМ) сигналы, являются примером таких многообещающих парадигм. Это связано с их потенциалом для высокоскоростных вычислений (ЭМ-волны распространяются со скоростью света внутри материала, по которому распространяются волны) и присущим параллелизмом, связанным с методами ЭМ-вычислений3,4,5 (когда для расчета может быть спроектирована единая структура). несколько вычислительных процессов, используя, например, различную поляризацию, частоту или угол падающего сигнала6,7,8,9). Замечательным примером аналоговых вычислений и, вероятно, одной из основополагающих работ в этой области, был дифференциальный анализатор, о котором впервые сообщил Хартри в 1935 году10. Такое устройство было способно находить решения дифференциальных уравнений посредством вращения дифференциальных шестерен, создавая решение непрерывного вывода (т.е. механическое вычислительное устройство). В контексте электромагнитных волн аналоговые процессоры предназначены для адаптации этого принципа вместо вычисления решения уравнений путем применения математического оператора непосредственно к фронту электромагнитной волны в пространственной или временной области11.

В этой области недавно сообщалось о различных примерах вычислительных структур на основе электромагнитных волн, таких как оптические сети, способные выполнять вычислительные операции, такие как инверсия матрицы12,13,14,15, переключение поперечных электромагнитных (TEM) импульсов с помощью волноводных сетей16,17, 18,19 и аналоговые вычисления с диэлектрическими мультислоями11,20. Более того, появление метаматериалов21,22, искусственных сред, которые могут демонстрировать исключительный контроль над волнами в пространстве и времени23,24,25,26,27,28,29,30,31, впервые привело к появлению концепции «вычислительных метаматериалов». представлено в 2014 году Сильвой и др.11. С тех пор были предложены и продемонстрированы замечательные примеры метаматериалов для вычислений, позволяющие выполнять такие операции, как дифференцирование и свертка7,32,33,34,35,36,37, а также вычислять решения более сложных операций, таких как обыкновенные дифференциальные уравнения. и интегральные уравнения6,34,38. В аналоговых вычислениях для обработки сигналов вычисление производных является особенно важной задачей, поскольку оно позволяет обнаружить края, что является важным первым шагом в любой задаче распознавания изображений/сигналов32. Сообщалось, что различные аналоговые процессоры на основе электромагнитных волн выполняют дифференцирование первого порядка как в пространственной, так и во временной области, причем примеры включают структуры, разработанные путем адаптации распределения диэлектрической проницаемости или спектров отражения/пропускания блока метаматериала/метаповерхности9,32,33,34, 38,39. На практике это часто требует точной настройки нескольких параметров конструкции, таких как длины диэлектрических слоев в многослойной структуре или диэлектрическая проницаемость пикселя в двумерной сетке9,11,20. Для достижения этой цели недавно были применены и продемонстрированы различные методы проектирования, такие как волоконные решетки40,41, интерферометры Маха-Цендера42, расширенная оптимизация и обратное проектирование43,44, а также подходы машинного обучения20,45,46.