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Jul 29, 2023

Dérivées temporelles via guides d'ondes interconnectés

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 13126 (2023) Citer cet article 5013 Accès 3 Détails des métriques Altmetric Le calcul analogique basé sur les ondes électromagnétiques est devenu un calcul intéressant

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13126 (2023) Citer cet article

5013 Accès

3 Altmétrique

Détails des métriques

Le calcul analogique basé sur les ondes électromagnétiques est devenu un paradigme informatique intéressant démontrant le potentiel des opérations parallèles à haut débit, à faible consommation. Dans ce travail, nous proposons une technique de calcul de dérivées de signaux temporels en exploitant des techniques de lignes de transmission. Nous considérons plusieurs guides d’ondes interconnectés (certains d’entre eux étant des tronçons à extrémités fermées) formant des jonctions. Le coefficient de transmission de la structure proposée est ensuite adapté en contrôlant la longueur et le nombre de tronçons à la jonction, de telle sorte que l'opération de différenciation soit appliquée directement sur l'enveloppe d'un signal incident modulé de manière sinusoïdale dans le domaine temporel. La physique derrière la structure proposée est expliquée en détail et une description théorique complète de cette opération est présentée, démontrant comment cette technique peut être utilisée pour calculer des dérivées temporelles d'ordre supérieur ou même fractionnaires. Nous envisageons que ces résultats pourraient permettre le développement d’autres processeurs analogiques basés sur les ondes dans le domaine temporel en exploitant les jonctions de guides d’ondes, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités pour les opérateurs et systèmes uniques basés sur les ondes.

Ces dernières années, un besoin de nouveaux paradigmes informatiques est apparu, principalement inspiré par la difficulté croissante à maintenir le taux historique d'accélération du calcul décrit par la loi de Moore1,2. Dans ce contexte, l’informatique analogique exploitant les signaux électromagnétiques (EM) est un exemple de ces paradigmes prometteurs. Cela est dû à leur potentiel de calcul à grande vitesse (les ondes EM se propagent à la vitesse de la lumière dans le matériau où les ondes se propagent) et au parallélisme inhérent associé aux techniques de calcul EM3,4,5 (où une structure unique peut être conçue pour calculer plusieurs processus informatiques en exploitant, par exemple, différentes polarisations incidentes, fréquences ou angles du signal incident6,7,8,9). Un exemple remarquable d'informatique analogique, et probablement l'un des travaux fondateurs dans ce domaine, était l'analyseur différentiel signalé pour la première fois par Hartree en 193510. Un tel dispositif était capable de trouver les solutions d'équations différentielles grâce à la rotation d'engrenages différentiels, produisant un solution de sortie continue (c'est-à-dire un dispositif informatique mécanique). Dans le contexte des ondes EM, les processeurs analogiques sont conçus pour adapter ce principe afin de calculer la solution des équations en appliquant un opérateur mathématique directement sur un front d'onde EM dans les domaines spatial ou temporel11.

Dans ce domaine, différents exemples de structures informatiques basées sur les ondes EM ont été récemment rapportés, tels que des réseaux optiques capables d'effectuer des opérations informatiques telles que l'inversion matricielle12,13,14,15, la commutation d'impulsions électromagnétiques transversales (TEM) avec des réseaux de guides d'ondes16,17, 18,19 et informatique analogique avec multicouches diélectriques11,20. De plus, l'introduction des métamatériaux21,22, des supports artificiels capables de présenter un contrôle exceptionnel sur les ondes dans l'espace et le temps23,24,25,26,27,28,29,30,31, a conduit au concept de « métamatériaux informatiques » pour la première fois. introduit en 2014 par Silva et al.11. Depuis lors, des exemples remarquables de métamatériaux pour l'informatique ont été proposés et démontrés pour effectuer des opérations telles que la différenciation et la convolution7,32,33,34,35,36,37, ainsi que pour calculer les solutions d'opérations plus complexes telles que les équations différentielles ordinaires. et les équations intégrales6,34,38. Dans le calcul analogique pour le traitement du signal, le calcul des dérivées est une tâche particulièrement importante car il permet la détection des contours, une première étape importante dans toute tâche de reconnaissance d’image/signal32. Différents processeurs analogiques basés sur les ondes EM ont été rapportés effectuant une différenciation de premier ordre, dans les domaines spatial et temporel, avec des exemples comprenant des structures conçues en adaptant la distribution de permittivité ou les spectres de réflexion/transmission d'un bloc/métasurface de métamatériau9,32,33,34, 38,39. En pratique, cela nécessite souvent un réglage fin de plusieurs paramètres de conception, tels que la longueur des couches diélectriques dans une structure multicouche ou la permittivité d'un pixel dans une grille 2D9,11,20. Pour atteindre cet objectif, diverses techniques de conception ont été récemment appliquées et démontrées, telles que les réseaux de fibres40,41, les interféromètres Mach-Zehnder42, l'optimisation avancée et la conception inverse43,44 ainsi que les approches d'apprentissage automatique20,45,46.