AI駆動フォトニックチップがブロードバンド光を制御、スマート光学へ道筋

研究者たちがフォトニックチップとAIアルゴリズムを用いてブロードバンド光源の特性を制御
この技術は自己最適化手法を通じてさまざまなスマート光学システムの開発を支援

日常生活で、カオスダイナミクスに基づく多数のパラメータに依存するいくつかの複雑なシステムを使用しています。フォトニクスでは、多くのシステムがこのカテゴリに該当します。計測、レーザー科学、生体医用イメージングで使用される高度な光学ソースなどが含まれます。

このような技術を改善し、光の特性を効果的に制御するには、フォトニック方法論の限界を押し広げ続ける必要があります。過去数年間、世界中の科学者たちがスーパーコンティニューム（散乱、分散、非線形性の複合効果下で光パルスが伝播して生成されるブロードバンドスペクトル）の生成を試みてきました。

超短パルス高強度レーザーパルスの開発（2018年物理学ノーベル賞につながった）と、光伝播の空間的閉じ込めとガイド技術により、極めて強力な光学アーキテクチャが誕生しました。

最近、カナダのInstitut National de la Recherche Scientifiqueの研究チームが、強力な超短パルスパターンを生成・操作してスーパーコンティニュームを生成することに成功しました。統合フォトニック構造を用いて、再構成可能なフェムト秒光パルスの束を作成しました。

スーパーコンティニューム生成に何を使用したか？

この研究では、研究者たちが制御された方法で操作可能な超短パルスの多様なパターンを実証しました。統合フォトニックシステムが提供する安定性、コンパクトさ、サブナノメートル分解能を活用して、フェムト秒光パルスを作成しました。

参照: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-07141-w | INRS

パラメータ空間を指数関数的にスケーリングし、10³⁶通り以上の異なるパルスパターンの組み合わせを生成しました。このような巨大な組み合わせ数（宇宙の惑星総数より多い）に対して、チームは機械学習手法を用いて光操作の結果を分析しました。

1ピコ秒間隔で分離されたパルス | Courtesy of Benjamin Wetzel

適切なAIアルゴリズムにより、研究者たちはさまざまなパルスパターンを最適化し、望ましいスーパーコンティニューム結果を達成できました。スペクトル出力を測定し、遺伝的アルゴリズムを適用して統合パルス分割器設定を変更し、特定のスーパーコンティニューム基準（たとえば特定波長でのスペクトル強度増加）に向けた非線形ファイバー伝播ダイナミクスを強化しました。

応用

この技術により、研究者たちは単一パルス励起の7倍のスーパーコンティニュームスペクトル密度を実験的に取得できました（同出力で）。スーパーコンティニューム生成の完全な時間制御を提供する可能性があります。素晴らしい成果は応用研究のさまざまな分野に影響を与えるでしょう。

特に、パルス増幅、自己調整レーザー、光周波数コム、フォトニックニューラルネットワークのような基本的AIアプローチを含む、自己最適化手法を通じた他のスマート光学構造の開発を支援します。

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