La recherche sur les dimensions synthétiques révolutionne le domaine de la photonique topologique en permettant un contrôle et une manipulation avancés de la lumière dans les systèmes photoniques, en utilisant des innovations telles que les réseaux de neurones artificiels et les réseaux de guides d’ondes pour explorer une nouvelle physique et optimiser les applications des appareils.
Les chercheurs ont développé des réseaux ajustables de guides d'ondes qui introduisent des dimensions modales synthétiques, améliorant la gestion de la lumière dans les systèmes photoniques. Cette innovation a des applications potentielles allant du mode laser à l'optique quantique et à la transmission de données.
Dans le domaine de la physique, les dimensions synthétiques (DS) sont devenues une frontière de recherche de pointe, offrant un moyen d'étudier les phénomènes dans les espaces de plus grande dimension au-delà de notre géométrie 3D conventionnelle. Ce concept a suscité une attention considérable, en particulier dans le domaine de la photonique topologique, en raison de son potentiel à révéler une physique complexe qui n'est pas accessible dans les dimensions traditionnelles.
Les chercheurs ont proposé divers cadres théoriques pour étudier et mettre en œuvre les SD, dans le but d'exploiter des phénomènes tels que les champs de jauge synthétiques, la physique quantique de Hall, les solitons discrets et les transitions de phase topologiques en quatre dimensions ou plus. Ces propositions pourraient conduire à de nouvelles connaissances fondamentales en physique.
L'un des principaux défis de l'espace 3D conventionnel est la réalisation expérimentale de structures en treillis complexes avec des couplages spécifiques. Les SD offrent une solution, en fournissant une plate-forme plus accessible pour créer des réseaux complexes de résonateurs avec des couplages anisotropes, à longue portée ou dissipatifs.
L'apprentissage profond permet la manipulation de la lumière dans une dimension synthétique. Crédit : Xia, Lei, et al., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005.
Cette capacité a déjà conduit à des démonstrations révolutionnaires de l'enroulement topologique non hermitien, de la symétrie parité-temps et d'autres phénomènes. Une variété de paramètres ou de degrés de liberté au sein d'un système, tels que les modes de fréquence, les modes spatiaux et les moments angulaires orbitaux, peuvent être utilisés pour construire des SD, prometteurs pour des applications dans divers domaines allant des communications optiques aux lasers à isolant topologique.
L’un des objectifs clés de ce domaine est la construction d’un réseau « utopique » de résonateurs dans lequel n’importe quelle paire de modes peut être couplée de manière contrôlée. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de manipuler avec précision les modes au sein des systèmes photoniques, ce qui offre des possibilités d’amélioration de la transmission des données, de l’efficacité de la récupération d’énergie et de la luminosité du réseau laser.
Utilisation de réseaux neuronaux artificiels pour la conception de guides d'ondes
Maintenant, comme indiqué dans Photonique avancéeune équipe internationale de chercheurs a créé des réseaux personnalisables de guides d'ondes pour établir des dimensions modales synthétiques. Cette avancée permet un contrôle efficace de la lumière dans un système photonique, sans avoir besoin de fonctionnalités supplémentaires compliquées comme la non-linéarité ou la non-hermiticité. Le professeur Zhigang Chen de l'université de Nankai note : « La capacité d'ajuster différents modes de lumière au sein du système nous rapproche un peu plus de la réalisation de réseaux « utopiques », où tous les paramètres d'une expérience sont parfaitement contrôlables. »
Confinement de mode et transformation de mode topologique dans une dimension synthétique conçue par des ANN. (a) Illustration des réseaux de modes avec des bords périphériques de valeurs propres. (a1) Croquis du réseau de valeurs propres et des modes propres correspondants. La disposition du réseau de couplage dans l'espace réel est calculée par des ANN. (a2) Dynamique d'évolution du mode dans SD ; le point orange dans la colonne de gauche indique le mode excité. (a3) Dynamique de propagation du faisceau correspondante dans l'espace réel. (b) Transformation de mode dans un réseau non trivial conçu par des ANN. (b1) Illustration du réseau dans l'espace réel et distribution des valeurs propres correspondante. (b2) Évolution du mode pendant la propagation dans SD ; les zones ombrées indiquent les blocages de couplage dans les SD dans différentes régions. (b3) Évolution de la lumière dans l'espace réel et transformation en un mode topologique ; le tracé de droite montre la distribution d'intensité moyenne dans la région du guide d'ondes droit. Crédit : Xia, Lei et al., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005
Dans leur travail, les chercheurs modulent les perturbations (« fréquences ondulantes ») pour des propagations qui correspondent aux différences entre les différents modes de lumière. Pour ce faire, ils utilisent des réseaux de neurones artificiels (RNA) pour concevoir des réseaux de guides d’ondes dans l’espace réel. Les RNA sont entraînés à créer des configurations de guides d’ondes qui ont exactement les modèles de modes souhaités. Ces tests aident à révéler comment la lumière se propage et se retrouve confinée dans les réseaux. Enfin, les chercheurs démontrent l’utilisation des RNA pour concevoir un type spécial de structure de réseau photonique appelé réseau Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Ce réseau a une caractéristique spécifique permettant le contrôle topologique de la lumière dans tout le système. Cela leur permet de changer le mode global dans lequel la lumière se déplace, mettant en valeur les propriétés uniques de leurs dimensions synthétiques.
Les implications de ces travaux sont considérables. En ajustant avec précision les distances et les fréquences des guides d’ondes, les chercheurs souhaitent optimiser la conception et la fabrication de dispositifs photoniques intégrés. Le professeur Hrvoje Buljan de l’Université de Zagreb remarque : « Au-delà de la photonique, ces travaux offrent un aperçu de la physique géométriquement inaccessible. Ils sont prometteurs pour des applications allant du mode laser à l’optique quantique et à la transmission de données. » Chen et Buljan notent tous deux que l’interaction entre la photonique topologique et la photonique dimensionnelle synthétique rendue possible par les ANN ouvre de nouvelles possibilités de découvertes qui pourraient conduire à des matériaux et des applications de dispositifs sans précédent.
