光子结构的最大香农容量
光学
2024-10-31 v2
摘要
通过电磁波传递信息是一个涉及众多技术相关应用的问题，包括计算和通信。先前的尝试针对通过已知光子结构（包括真空）传播的波来确定光学信息传输的限制。本文关注最佳信息在光子器件中的传输。结合信息论、波散射和优化理论，我们对可以通过结构化发送者、接收者及其环境实现的最大香农容量设定界限。允许任意结构化导致非凸问题，显然比其固定结构 counterparts 更具挑战性，而后者是凸问题，满足已知的“水面填充”解。我们推导了该问题的几何无关的凸松弛，阐明了香农容量随设备参数和结构化对容量提升重要性的基本物理和尺度行为。我们还显示，在以功率插入为主导的 regime 中，对香农容量的界限映射到基于 Green's 函数奇异向量的双凸优化问题。该问题可获得解析解，提供信道和功率分配的物理直观解释，揭示香农容量随信噪比的变化方式。概念验证数值示例表明，界限在可实现器件性能的数量级内，并成功预测信道噪声下的性能尺度。所提出的方法对优化天线、集成光子器件、超表面内核、MIMO 空间分复用器和波导以最大化通信效率和比特率具有意义。
引用
@article{arxiv.2409.02089,
title = {Maximum Shannon Capacity of Photonic Structures},
author = {Alessio Amaolo and Pengning Chao and Benjamin Strekha and Stefan Clarke and Jewel Mohajan and Sean Molesky and Alejandro W. Rodriguez},
journal= {arXiv preprint arXiv:2409.02089},
year = {2024}
}
备注
Alessio Amaolo and Pengning Chao contributed equally to this work. 19 pages, 3 figures