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Solving integral equations in free-space with inverse-designed ultrathin optical metagratings

计算机科学 模拟计算机 核(代数) 积分方程 计算科学 数学 数学分析 电气工程 组合数学 工程类
作者
Andrea Cordaro,Brian Edwards,Vahid Nikkhah,Andrea Alù,Nader Engheta,Albert Polman
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
被引量:2
标识
DOI:10.48550/arxiv.2202.05219
摘要

As standard microelectronic technology approaches fundamental limitations in speed and power consumption, novel computing strategies are strongly needed. Analog optical computing enables processing large amounts of data at a negligible energy cost and high speeds. Based on these principles, ultrathin optical metasurfaces have been recently explored to process large images in real-time, in particular for edge detection. By incorporating feedback, it has also been recently shown that metamaterials can be tailored to solve complex mathematical problems in the analog domain, although these efforts have so far been limited to guided-wave systems and bulky setups. Here, we present an ultrathin Si metasurface-based platform for analog computing that is able to solve Fredholm integral equations of the second kind using free-space visible radiation. A Si-based metagrating was inverse-designed to implement the scattering matrix synthesizing a prescribed Kernel corresponding to the mathematical problem of interest. Next, a semi-transparent mirror was incorporated into the sample to provide adequate feedback and thus perform the required Neumann series, solving the corresponding equation in the analog domain at the speed of light. Visible wavelength operation enables a highly compact, ultrathin device that can be interrogated from free-space, implying high processing speeds and the possibility of on-chip integration.

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