Badania nad wymiarami syntetycznymi rewolucjonizują dziedzinę fotoniki topologicznej, umożliwiając zaawansowaną kontrolę i manipulację światłem w układach fotonicznych, wykorzystując innowacje, takie jak sztuczne sieci neuronowe i układy falowodów, do odkrywania nowej fizyki i optymalizacji zastosowań urządzeń.
Naukowcy opracowali regulowane układy falowodów, które wprowadzają syntetyczne wymiary modalne, usprawniając zarządzanie światłem w systemach fotonicznych. Ta innowacja ma potencjalne zastosowania, począwszy od lasera modowego po optykę kwantową i transmisję danych.
W dziedzinie fizyki wymiary syntetyczne (SD) wyłoniły się jako najnowocześniejsza dziedzina badań, zapewniająca środki do badania zjawisk w przestrzeniach wielowymiarowych wykraczających poza naszą konwencjonalną geometrię 3D. Koncepcja ta zyskała duże zainteresowanie, szczególnie w fotonice topologicznej, ze względu na jej potencjał odkrywania złożonej fizyki, do której nie można uzyskać dostępu w tradycyjnych wymiarach.
Naukowcy zaproponowali różne ramy teoretyczne do badania i wdrażania SD, mając na celu wykorzystanie takich zjawisk, jak syntetyczne pola cechowania, kwantowa fizyka Halla, dyskretne solitony i topologiczne przejścia fazowe w czterech lub wyższych wymiarach. Propozycje te mogą prowadzić do nowego, fundamentalnego zrozumienia fizyki.
Jednym z głównych wyzwań w konwencjonalnej przestrzeni 3D jest eksperymentalna realizacja złożonych struktur kratowych z określonymi sprzężeniami. SD oferują rozwiązanie, zapewniając bardziej dostępną platformę do tworzenia skomplikowanych sieci rezonatorów ze sprzężeniami anizotropowymi, dalekiego zasięgu lub rozpraszającymi.
Głębokie uczenie umożliwia manipulację światłem w syntetycznym wymiarze. Źródło: Xia, Lei i in., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005.
Możliwość ta doprowadziła już do przełomowych demonstracji niehermitowskiego uzwojenia topologicznego, symetrii w czasie parzystości i innych zjawisk. Do konstruowania SD można wykorzystać różnorodne parametry lub stopnie swobody w systemie, takie jak mody częstotliwości, mody przestrzenne i orbitalny moment pędu, co może znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach, od komunikacji optycznej po topologiczne lasery izolacyjne.
Kluczowym celem w tym zakresie jest budowa „utopijnej” sieci rezonatorów, w której można w sposób kontrolowany sprzęgać dowolną parę modów. Osiągnięcie tego celu wymaga precyzyjnej manipulacji trybami w systemach fotonicznych, oferując możliwości poprawy transmisji danych, wydajności pozyskiwania energii i promieniowania układu laserowego.
Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do projektowania falowodów
Teraz, jak podano w Zaawansowana fotonikamiędzynarodowy zespół badaczy stworzył konfigurowalne układy falowodów w celu ustalenia syntetycznych wymiarów modalnych. Postęp ten pozwala na efektywną kontrolę światła w układzie fotonicznym, bez potrzeby stosowania skomplikowanych dodatkowych funkcji, takich jak nieliniowość lub niehermityczność. Profesor Zhigang Chen z Uniwersytetu Nankai zauważa: „Możliwość dostosowania różnych trybów światła w systemie przybliża nas o krok do osiągnięcia „utopijnych” sieci, w których wszystkie parametry eksperymentu można doskonale kontrolować”.
Uwięzienie modów i morfologia modów topologicznych w wymiarze syntetycznym zaprojektowanym przez SSN. (a) Ilustracja tablic modów z odległymi krawędziami wartości własnych. (a1) Szkic tablicy wartości własnych i odpowiadających im postaci własnych. Rozmieszczenie układu sprzęgającego w przestrzeni rzeczywistej jest obliczane przez SSN. (a2) Dynamika ewolucji modów w SD; pomarańczowa kropka w lewej kolumnie oznacza tryb wzbudzenia. (a3) Odpowiednia dynamika propagacji wiązki w przestrzeni rzeczywistej. (b) Transformacja modów w nietrywialnej sieci zaprojektowanej przez SSN. (b1) Ilustracja kraty w przestrzeni rzeczywistej i odpowiadający jej rozkład wartości własnych. (b2) Ewolucja modów podczas propagacji w SD; zacienione strefy wskazują blokady sprzęgania w SD w różnych regionach. (b3) Ewolucja światła w przestrzeni rzeczywistej i przejście w mod topologiczny; wykres po prawej stronie przedstawia średni rozkład natężenia w obszarze prostego falowodu. Źródło: Xia, Lei i in., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005
W swojej pracy naukowcy modulują zaburzenia („częstotliwości wibracji”) w celu uzyskania propagacji odpowiadających różnicom między różnymi modami światła. W tym celu wykorzystują sztuczne sieci neuronowe (ANN) do projektowania układów falowodowych w przestrzeni rzeczywistej. SSN są przeszkolone w zakresie tworzenia konfiguracji falowodów, które mają dokładnie pożądane wzorce trybów. Testy te pomagają odkryć, w jaki sposób światło rozchodzi się i zatrzymuje w układach. Na koniec badacze zademonstrowali zastosowanie SSN do zaprojektowania specjalnego typu struktury siatki fotonicznej zwanej siecią Su-Schrieffera-Heegera (SSH). Krata ta posiada specyficzną cechę umożliwiającą topologiczną kontrolę światła w całym systemie. Pozwala im to zmienić tryb masowy, w którym przemieszcza się światło, ukazując unikalne właściwości ich syntetycznych wymiarów.
Konsekwencje tej pracy są znaczne. Dostrajając odległości i częstotliwości falowodów, badacze dążą do optymalizacji projektowania i wytwarzania zintegrowanych urządzeń fotonicznych. Profesor Hrvoje Buljan z Uniwersytetu w Zagrzebiu zauważa: „Poza fotoniką ta praca oferuje wgląd w geometrycznie niedostępną fizykę. Jest obiecujący w zastosowaniach od lasera modowego po optykę kwantową i transmisję danych. Zarówno Chen, jak i Buljan zauważają, że wzajemne oddziaływanie fotoniki topologicznej i fotoniki o wymiarach syntetycznych wspomaganych przez SSN otwiera nowe możliwości odkryć, które mogą prowadzić do niespotykanych dotąd zastosowań materiałów i urządzeń.
Odniesienie: „Syntetyczna dynamika wymiarów wzmocniona głębokim uczeniem się: przekształcanie światła w mody topologiczne” autorstwa Shiqi Xia, Sihong Lei, Daohong Song, Luigi Di Lauro, Imtiaz Alamgir, Liqin Tang, Jingjun Xu, Roberto Morandotti, Hrvoje Buljan i Zhigang Chen , 18 marca 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.2.026005
