Når AI og optoelektronik mødes:Forskere tager kontrol over lysegenskaber

Ved at bruge maskinlæring og en integreret fotonisk chip, forskere fra INRS (Canada) og University of Sussex (UK) kan nu tilpasse egenskaberne for bredbåndslyskilder. Også kaldet "superkontinuum", disse kilder er kernen i nye billedteknologier, og den tilgang, som forskerne har foreslået, vil bringe yderligere indsigt i grundlæggende aspekter af lys-stof-interaktioner og ultrahurtig ikke-lineær optik. Værket er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 20. november, 2018.

I professor Roberto Morandottis laboratorium ved INRS, forskere var i stand til at skabe og manipulere intense ultrakorte pulsmønstre, som bruges til at generere et bredbånds optisk spektrum. I de seneste år, udviklingen af ​​laserkilder med intense og ultrakorte laserpulser - der førte til Nobelprisen i fysik i 2018 - sammen med måder at rumligt begrænse og styre lysudbredelse (optisk fiber og bølgeledere) gav anledning til optiske arkitekturer med enorm kraft. Med disse nye systemer, en række muligheder dukker op, såsom generation af supercontinua, dvs. udvidede lysspektre genereret gennem intense lys-stof-interaktioner.

Sådanne kraftfulde og komplekse optiske systemer, og deres tilhørende processer udgør i øjeblikket byggestenene i udbredte applikationer, der spænder fra laservidenskab og metrologi til avancerede sansnings- og biomedicinske billeddannelsesteknikker. For at blive ved med at skubbe grænserne for disse teknologier, mere skræddersyningsevne af lysegenskaberne er nødvendig. Med dette arbejde, det internationale forskerhold løfter sløret for en praktisk og skalerbar løsning på dette problem.

Dr. Benjamin Wetzel (University of Sussex), hovedforsker af denne forskning ledet af prof. Roberto Morandotti (INRS) og prof. Marco Peccianti (University of Sussex), demonstreret, at forskellige mønstre af femtosekund optiske pulser kan fremstilles og manipuleres overbevisende. "Vi har udnyttet kompaktheden, stabilitet og sub-nanometeropløsning, der tilbydes af integrerede fotoniske strukturer til at generere rekonfigurerbare bundter af ultrakorte optiske pulser, "forklarer Dr. Wetzel." Den eksponentielle skalering af det opnåede parameterrum giver til over 10 ³⁶ forskellige konfigurationer af opnåelige pulsmønstre, mere end det anslåede antal stjerner i universet, "slutter han.

Med et så stort antal kombinationer til at se et optisk system, der vides at være meget følsomt over for dets startbetingelser, forskerne har vendt sig til en machine-learning teknik for at undersøge resultatet af lysmanipulation. I særdeleshed, de har vist, at styringen og tilpasningen af ​​outputlyset faktisk er effektiv, når de sammen bruger deres system og en passende algoritme til at undersøge de mange tilgængelige lyspulsmønstre, der bruges til at skræddersy kompleks fysisk dynamik.

Disse spændende resultater vil påvirke grundlæggende såvel som anvendt forskning på en række områder, da en stor del af de nuværende optiske systemer er afhængige af de samme fysiske og ikke-lineære effekter som dem, der ligger til grund for superkontinuumgenerering. Det internationale forskerholds arbejde forventes således at sætte gang i udviklingen af ​​andre smarte optiske systemer via selvoptimeringsteknikker, herunder styring af optiske frekvenskamme (Nobel 2005) til metrologiapplikationer, selvjusterende lasere, pulsbehandling og forstærkning (Nobel 2018) samt implementering af mere grundlæggende metoder til maskinlæring, såsom fotoniske neurale netværkssystemer.