Représentation spectro-temporelle des modèles d'impulsions femtosecondes, préparé par une puce photonique pour amorcer la génération de supercontinuum. Les modèles sont optimisés via l'apprentissage automatique pour sélectionner et améliorer les propriétés souhaitées dans le supercontinuum de sortie. Ici, les impulsions sont séparées de 1 picoseconde, et mesuré expérimentalement via une synchronisation optique à résolution de fréquence (FROG). Crédit :Benjamin Wetzel
Grâce au machine learning et à une puce photonique intégrée, des chercheurs de l'INRS (Canada) et de l'Université du Sussex (Royaume-Uni) peuvent désormais personnaliser les propriétés des sources lumineuses à large bande. Aussi appelé "supercontinuum", ces sources sont au cœur des nouvelles technologies d'imagerie et l'approche proposée par les chercheurs permettra d'approfondir les aspects fondamentaux des interactions lumière-matière et de l'optique non linéaire ultrarapide. L'ouvrage est publié dans la revue Communication Nature le 20 novembre, 2018.
Dans le laboratoire du professeur Roberto Morandotti à l'INRS, les chercheurs ont pu créer et manipuler des modèles d'impulsions ultracourtes intenses, qui sont utilisés pour générer un spectre optique à large bande. Dans les années récentes, le développement de sources laser à impulsions laser intenses et ultracourtes – qui a conduit au prix Nobel de physique en 2018 – ainsi que les moyens de confiner et de guider spatialement la propagation de la lumière (fibre optique et guides d'ondes) ont donné naissance à des architectures optiques d'une puissance immense. Avec ces nouveaux systèmes, un éventail de possibilités se dessine, comme la génération de supercontinua, c'est-à-dire des spectres lumineux étendus générés par des interactions lumière-matière intenses.
Des systèmes optiques aussi puissants et complexes, et leurs processus associés, forment actuellement les éléments constitutifs d'applications répandues allant de la science et de la métrologie du laser aux techniques avancées de détection et d'imagerie biomédicale. Pour continuer à repousser les limites de ces technologies, une plus grande capacité d'adaptation des propriétés de la lumière est nécessaire. Avec ce travail, l'équipe de recherche internationale dévoile une solution pratique et évolutive à ce problème.
Une impulsion ultracourte est envoyée dans une fibre optique et produit de nouvelles composantes de fréquence via des interactions lumière-matière intenses. L'élargissement spectral progressif de l'impulsion lumineuse initiale survenant lors de la propagation, conduit finalement à la formation d'un soi-disant supercontinuum. Dans l'exemple ici, cela correspond à une source "lumière blanche" qui, semblable à un arc-en-ciel, est composé de toutes les couleurs vues dans la région visible du spectre électromagnétique. Crédit :Benjamin Wetzel
Dr Benjamin Wetzel (Université du Sussex), chercheur principal de cette recherche dirigée par le Pr Roberto Morandotti (INRS) et le Pr Marco Peccianti (Université du Sussex), ont démontré que divers modèles d'impulsions optiques femtosecondes peuvent être préparés et manipulés judicieusement. « Nous avons profité de la compacité, stabilité et résolution sub-nanométrique offertes par des structures photoniques intégrées pour générer des paquets reconfigurables d'impulsions optiques ultracourtes, " explique le Dr Wetzel. " L'échelle exponentielle de l'espace des paramètres obtenu donne plus de 10 36 différentes configurations de modèles d'impulsions réalisables, plus que le nombre d'étoiles estimé dans l'univers, " conclut-il.
Avec un si grand nombre de combinaisons pour amorcer un système optique connu pour être très sensible à ses conditions initiales, les chercheurs se sont tournés vers une technique d'apprentissage automatique afin d'explorer le résultat de la manipulation de la lumière. En particulier, ils ont montré que le contrôle et la personnalisation de la lumière de sortie est effectivement efficace, en utilisant conjointement leur système et un algorithme approprié pour explorer la multitude de modèles d'impulsions lumineuses disponibles utilisés pour adapter une dynamique physique complexe.
Ces résultats passionnants auront un impact sur la recherche fondamentale et appliquée dans un certain nombre de domaines, car une grande partie des systèmes optiques actuels reposent sur les mêmes effets physiques et non linéaires que ceux qui sous-tendent la génération de supercontinuum. Les travaux de l'équipe de recherche internationale devraient ainsi amorcer le développement d'autres systèmes optiques intelligents via des techniques d'auto-optimisation, dont le contrôle des peignes de fréquence optique (Nobel 2005) pour les applications de métrologie, lasers auto-ajustables, le traitement et l'amplification des impulsions (Nobel 2018) ainsi que la mise en œuvre d'approches plus fondamentales de l'apprentissage automatique, tels que les systèmes de réseaux de neurones photoniques.
