Representação espectrotemporal de padrões de pulso de femtossegundo, preparado por um chip fotônico para semear a geração do supercontínuo. Os padrões são otimizados por meio de aprendizado de máquina para selecionar e aprimorar as propriedades desejadas no supercontínuo de saída. Aqui, os pulsos são separados por 1 picossegundo, e medido experimentalmente por meio de portas ópticas resolvidas em frequência (FROG). Crédito:Benjamin Wetzel
Usando aprendizado de máquina e um chip fotônico integrado, pesquisadores do INRS (Canadá) e da Universidade de Sussex (Reino Unido) agora podem personalizar as propriedades das fontes de luz de banda larga. Também chamado de "supercontínuo", essas fontes estão no cerne de novas tecnologias de imagem e a abordagem proposta pelos pesquisadores trará uma visão mais aprofundada dos aspectos fundamentais das interações luz-matéria e da ótica não linear ultrarrápida. O trabalho está publicado na revista Nature Communications em 20 de novembro, 2018.
No laboratório do professor Roberto Morandotti do INRS, pesquisadores foram capazes de criar e manipular padrões de pulso ultracurtos intensos, que são usados para gerar um espectro óptico de banda larga. Nos últimos anos, o desenvolvimento de fontes de laser com pulsos de laser intensos e ultracurtos - que levaram ao Prêmio Nobel de Física em 2018 - junto com formas de confinar espacialmente e guiar a propagação da luz (fibra óptica e guias de onda) deu origem a arquiteturas ópticas com imenso poder. Com esses novos sistemas, uma série de possibilidades emerge, como a geração de supercontinua, isto é, espectros de luz estendidos gerados por meio de interações intensas de luz-matéria.
Sistemas ópticos tão poderosos e complexos, e seus processos associados, atualmente formam os blocos de construção de aplicações generalizadas que vão desde a ciência do laser e metrologia até técnicas avançadas de detecção e imagens biomédicas. Para continuar expandindo os limites dessas tecnologias, é necessária mais capacidade de adaptação das propriedades da luz. Com este trabalho, a equipe de pesquisa internacional revela uma solução prática e escalonável para este problema.
Um pulso ultracurto é enviado a uma fibra óptica e produz novos componentes de frequência por meio de intensas interações luz-matéria. O alargamento espectral progressivo do pulso de luz inicial que ocorre durante a propagação, em última análise, leva à formação de um chamado supercontínuo. No exemplo aqui, isso corresponde a uma fonte de "luz branca" que, semelhante a um arco-íris, é composto por todas as cores vistas na região visível do espectro eletromagnético. Crédito:Benjamin Wetzel
Dr. Benjamin Wetzel (Universidade de Sussex), investigador principal desta pesquisa liderada pelo Prof. Roberto Morandotti (INRS) e Prof. Marco Peccianti (University of Sussex), demonstraram que diversos padrões de pulsos ópticos de femtossegundos podem ser preparados e manipulados criteriosamente. "Aproveitamos a compactação, estabilidade e resolução sub-nanométrica oferecida por estruturas fotônicas integradas para gerar grupos reconfiguráveis de pulsos ópticos ultracurtos, "explica o Dr. Wetzel." A escala exponencial do espaço de parâmetro obtido rende mais de 10 36 diferentes configurações de padrões de pulso alcançáveis, mais do que o número de estrelas estimadas no universo, "conclui.
Com um número tão grande de combinações para semear um sistema óptico conhecido por ser altamente sensível às suas condições iniciais, os pesquisadores recorreram a uma técnica de aprendizado de máquina para explorar o resultado da manipulação da luz. Em particular, eles mostraram que o controle e personalização da luz de saída é de fato eficiente, ao usar conjuntamente o seu sistema e um algoritmo adequado para explorar a multiplicidade de padrões de pulso de luz disponíveis usados para adaptar a dinâmica física complexa.
Esses resultados empolgantes terão impacto na pesquisa fundamental e aplicada em vários campos, como uma grande parte dos sistemas ópticos atuais dependem dos mesmos efeitos físicos e não lineares que os subjacentes à geração do supercontínuo. Espera-se, assim, que o trabalho da equipe de pesquisa internacional semeie o desenvolvimento de outros sistemas ópticos inteligentes por meio de técnicas de auto-otimização, incluindo o controle de pentes de frequência óptica (Nobel 2005) para aplicações de metrologia, lasers autoajustáveis, processamento e amplificação de pulso (Nobel 2018), bem como a implementação de abordagens mais fundamentais de aprendizado de máquina, como sistemas de rede neural fotônica.
