Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 12 · RADIO WAVE PROPAGATION

About the superluminal group velocity of a video signal in an amplifying medium

N.S. Bukhman1, S.N. Bukhman1

1 Samara State Technical University, Samara, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.12.13 UDC 537.876 EDN IZOQUG

Abstract

It is shown that holomorphic (infinitely differentiable) video signals of sufficient duration are, in principle, capable of propagating in an environment with population inversion (and gain dominance over absorption at least at low frequencies) without significant distortion and significant amplification at a superluminal group velocity. The practical implementation of this effect is limited not so much by the distortion or amplification of the video signal itself, as by the maximum size (and amplification of extraneous signals at the maximum gain frequency) of actually existing active media. At best, with reasonable amplification coefficients of real-world active media, one can hope for the amount of time ahead of the vacuum speed of light by the video signal on the order of its own duration.

  • video signal
  • Group speed
  • superluminal group speed
Аннотация (на русском)

О сверхсветовой групповой скорости видеосигнала в усиливающей среде

Показано, что голоморфные (бесконечно дифференцируемые) видеосигналы достаточной продолжительности в принципе способны распространяться в среде с инверсией населенностей (и доминированием усиления над поглощением по крайней мере на низких частотах) без существенных искажений и существенного усиления со сверхсветовой групповой скоростью. Практическая реализация этого эффекта ограничена не столько искажением или усилением самого видеосигнала, сколько максимальными размерами (и усилением посторонних сигналов на частоте максимального усиления) реально существующих активных сред. При разумных коэффициентах усиления реально существующих активных сред в лучшем случае можно надеяться на величину времени опережения видеосигналом вакуумной скорости света порядка величины его собственной длительности.

For citation

Bukhman N.S., Bukhman S.N. About the superluminal group velocity of a video signal in an amplifying medium // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.12.13

References

  1. Бухман Н.С. О групповой скорости видеосигнала в диэлектрике. // Журнал радиоэлектроники. - 2025 - № 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.3.1
  2. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - 1979.
  3. Вайнштейн Л.А. Распространение импульсов // Успехи физических наук. - 1976. - Т. 118. - №. 2. - С. 339-367. https://doi.org/10.3367/UFNr.0118.197602h.0339
  4. Прохоров А.М. Физическая энциклопедия. - Рипол Классик, 1988. - Т. 1.
  5. Прохоров А.М. и др. (ред.). Физический энциклопедический словарь. - Советская энциклопедия, 1983.
  6. Бухман Н.С. О принципе причинности и сверхсветовых скоростях распространения сигналов // Радиотехника и электроника. - 2021. - Т. 66. - №. 3. - С. 209-225.
  7. Wang L.J., Kuzmich A., Dogariu A. Gain-assisted superluminal light propagation // Nature. - 2000. - Т. 406. - №. 6793. - С. 277-279. https://doi.org/10.1038/35018520
  8. Talukder M.A. I., Amagishi Y., Tomita M. Superluminal to subluminal transition in the pulse propagation in a resonantly absorbing medium // Physical Review Letters. - 2001. - Т. 86. - №. 16. - С. 3546. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.3546
  9. Dogariu A., Kuzmich A., Wang L.J. Transparent anomalous dispersion and superluminal light-pulse propagation at a negative group velocity // Physical Review A. - 2001. - Т. 63. - №. 5. - С. 053806. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.63.053806
  10. Акульшин А.М., Чиммино А., Опат Д.И. Отрицательная групповая скорость светового импульса в парах цезия // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32. - №. 7. - С. 567-569. https://doi.org/10.1070/QE2002v032n07ABEH002249
  11. Macke B., Ségard B. Propagation of light-pulses at a negative group-velocity // The European Physical Journal D-Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics. - 2003. - Т. 23. - С. 125-141. https://doi.org/10.1140/epjd/e2003-00022-0
  12. Akulshin A.M. et al. Pulses of fast light, the signal velocity, and giant Kerr nonlinearity // LASER PHYSICS-LAWRENCE-. - 2005. - Т. 15. - №. 9. - С. 1252.
  13. Золотовский И.О., Семенцов Д.И. Скорость максимума огибающей частотно-модулированного гауссова импульса в усиливающей нелинейной среде // Оптика и спектроскопия. - 2005. - Т. 99. - №. 1. - С. 89-92.
  14. Золотовский И.О., Семенцов Д.И. Скорость огибающей импульса в туннельно-связанных оптических волноводах с сильно различающимися параметрами // Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т. 101. - №. 1. - С. 120-123. https://doi.org/10.1134/S0030400X06070204
  15. Macke B., Ségard B. From fast to slow light in a resonantly driven absorbing medium // Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2010. - Т. 82. - №. 2. - С. 023816. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.82.023816
  16. Akulshin A.M., McLean R.J. Fast light in atomic media // Journal of Optics. - 2010. - Т. 12. - №. 10. - С. 104001. https://doi.org/10.1088/2040-8978/12/10/104001
  17. Малыкин Г.Б., Романец Е.А. Сверхсветовые движения (обзор) // Оптика и спектроскопия. - 2012. - Т. 112. - №. 6. - С. 993-993. https://doi.org/10.1134/S0030400X12040145
  18. Золотовский И.О., Минвалиев Р.Н., Семенцов Д.И. Динамика частотно-модулированных волновых пакетов в световодах с комплексными материальными параметрами // Успехи физических наук. - 2013. - Т. 183. - №. 12. - С. 1353-1365. https://doi.org/10.3367/UFNr.0183.201312e.1353
  19. Macke B., Ségard B. Simultaneous slow and fast light involving the Faraday effect // Physical Review A. - 2016. - Т. 94. - №. 4. - С. 043801. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.94.043801
  20. Macke B., Ségard B. Optical precursors with self-induced transparency // Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2010. - Т. 81. - №. 1. - С. 015803.
  21. Macke B., Ségard B. Optical precursors in transparent media // Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2009. - Т. 80. - №. 1. - С. 011803.
  22. Boyd and R.W., Gauthier D.J. " Slow''and" fasf'light // Progress in Optics. - 2002. - V. 43. - P. 497.
  23. Macke B., Ségard B. Simple asymptotic forms for Sommerfeld and Brillouin precursors // Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2012. - Т. 86. - №. 1. - С. 013837. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.86.013837
  24. Ravelo B. Investigation on microwave negative group delay circuit // Electromagnetics. - 2011. - Т. 31. - №. 8. - С. 537-549. https://doi.org/10.1080/02726343.2011.621106
  25. Macke B., Ségard B. Two-pulse interference and superluminality // Opt.Commun. 2008. V. 281. № 1. P. 12-17.
  26. Aaviksoo J., Kuhl J., Ploog K. Observation of optical precursors at pulse propagation in GaAs // Physical Review A. - 1991. - Т. 44. - №. 9. - С. R5353. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.44.R5353
  27. Österberg U., Andersson D., Lisak M. On precursor propagation in linear dielectrics // Optics communications. - 2007. - Т. 277. - №. 1. - С. 5-13. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.04.050
  28. Tanaka H. et al. Propagation of optical pulses in a resonantly absorbing medium: Observation of negative velocity in Rb vapor // Physical Review A. - 2003. - Т. 68. - №. 5. - С. 053801. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.68.053801
  29. Du S. et al. Observation of optical precursors at the biphoton level // Optics letters. - 2008. - Т. 33. - №. 18. - С. 2149-2151.
  30. Macke B., Ségard B. Brillouin precursors in Debye media // Physical Review A. - 2015. - Т. 91. - №. 5. - С. 053814.
  31. Macke B., Ségard B. On-resonance material fast light // Phys. Rev. A. - 2018. - Т. 97. - №. 6. - С. 063830. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.80.011803
  32. Macke B., Ségard B. Optical precursors with self-induced transparency // Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2010. - Т. 81. - №. 1. - С. 015803.
  33. Macke B., Ségard B. Optical precursors in transparent media // Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2009. - Т. 80. - №. 1. - С. 011803.
  34. Boyd and R.W., Gauthier D.J. " Slow''and" fasf'light // Progress in Optics. - 2002. - V. 43. - P. 497.
  35. Macke B., Ségard B. Simple asymptotic forms for Sommerfeld and Brillouin precursors // Physical Review A-Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2012. - Т. 86. - №. 1. - С. 013837. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.86.013837
  36. Sommerfeld A. Über die Fortpflanzung des Lichtes in dispergierenden Medien // Annalen der Physik. - 1914. - Т. 349. - №. 10. - С. 177-202.
  37. Brillouin L. Über die Fortpflanzung des Lichtes in dispergierenden Medien // Annalen der Physik. - 1914. - Т. 349. - №. 10. - С. 203-240.
  38. Aaviksoo J., Kuhl J., Ploog K. Observation of optical precursors at pulse propagation in GaAs // Physical Review A. - 1991. - Т. 44. - №. 9. - С. R5353. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.44.R5353
  39. Österberg U., Andersson D., Lisak M. On precursor propagation in linear dielectrics // Optics communications. - 2007. - Т. 277. - №. 1. - С. 5-13. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.04.050
  40. Du S. et al. Observation of optical precursors at the biphoton level // Optics letters. - 2008. - Т. 33. - №. 18. - С. 2149-2151.
  41. Macke B., Ségard B. Brillouin precursors in Debye media // Physical Review A. - 2015. - Т. 91. - №. 5. - С. 053814.
  42. Бухман Н.С. О голоморфных и кусочно-голоморфных сигналах. // Журнал радиоэлектроники. - 2025 - № 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.3.2
  43. Бухман Н.С. Об изменении длительности узкополосного сигнала в диспергирующей среде с ростом протяженности трассы (в рамках метода моментов) // Известия вузов. Радиофизика. 2024. Т. 67. № 2. С. 187-202.
  44. Бухман Н.С., Куликова А.В. О влиянии дисперсии поглощения на временную зависимость голономного узкополосного сигнала вдали от точки излучения // Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.2.5
  45. Бухман Н.С. О распространении кусочно-голоморфного сигнала через мазерный источник OH, связанный с инфракрасной звездой NML Лебедя. // Журнал радиоэлектроники. - 2025. -№ 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.3.3
  46. Стрельницкий В.С. Космические мазеры // Успехи физических наук. - 1974. - Т. 113. - №. 7. - С. 463-502. https://doi.org/10.3367/UFNr.0113.197407c.0463