AI 구동 포토닉 칩, 광대역 빛 제어로 스마트 광학 구현

• 연구자들이 포토닉 칩과 AI 알고리즘 사용해 광대역 광원 특성 구성
• 이 기술은 자기최적화 방법을 통해 다양한 스마트 광학 시스템 개발에 도움

일상생활에서 우리는 혼돈 역학 기반의 수많은 매개변수에 의존하는 여러 복잡한 시스템을 사용합니다. 포토닉스에서 많은 시스템이 이 범주에 속합니다. 계측, 레이저 과학, 생체의료 이미징에 사용되는 고급 광학 소스 등이 포함됩니다.

그런 기술들을 개선하고 빛의 특성을 효과적으로 제어하기 위해 포토닉 방법론의 한계를 계속 밀어붙일 필요가 있습니다. 지난 몇 년간 전 세계 과학자들은 슈퍼컨티넘(Supercontinuum) 생성을 시도해 왔습니다. 산란, 분산, 비선형성 결합 효과 하에서 광펄스 전파로 생성되는 광대역 스펙트럼입니다.

초단파 강렬한 레이저 펄스 개발(2018년 물리학 노벨상 수상)과 빛 전파를 공간적으로 가두고 안내하는 기술이 극도로 강력한 광학 아키텍처를 탄생시켰습니다.

최근 캐나다 국립과학연구소(INRS) 연구팀이 강력한 초단파 펄스 패턴을 성공적으로 생성하고 조작해 슈퍼컨티넘을 생성했습니다. 집적 포토닉 구조를 사용해 재구성 가능한 펨토초 광펄스 다발을 만들었습니다.

슈퍼컨티넘 생성을 위해 정확히 무엇을 사용했나?

이 작업에서 연구자들은 제어된 방식으로 조작 가능한 다양한 초단파 펄스 패턴을 시연했습니다. 집적 포토닉 시스템이 제공하는 안정성, 소형성, 서브나노미터 해상도를 활용해 펨토초 광펄스를 생성했습니다.

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

매개변수 공간을 기하급수적으로 확장해 10³⁶가지 이상의 가능한 펄스 패턴 조합을 산출했습니다. 이렇게 엄청난 조합 수(우주 전체 행성 수보다 많음)에 대해 팀은 머신러닝 방법을 사용해 빛 조작 결과를 분석했습니다.

1피코초 간격으로 분리된 펄스들 | 출처: Benjamin Wetzel

적절한 AI 알고리즘으로 연구자들은 다양한 펄스 패턴을 최적화해 원하는 슈퍼컨티넘 결과를 달성했습니다. 스펙트럴 출력을 측정하고 유전 알고리즘을 적용해 집적 펄스 분배기 구성을 변경함으로써 비선형 섬유 전파 역학을 특정 슈퍼컨티넘 기준(예: 특정 파장에서 스펙트럴 강도 증가)을 향해 향상시켰습니다.

응용 분야

이 기술로 연구자들은 단일 펄스 여기로 같은 전력에서 7배 더 많은 슈퍼컨티넘 스펙트럴 밀도를 실험적으로 얻었습니다. 슈퍼컨티넘 생성의 완전한 시간적 제어 잠재력을 가집니다. 놀라운 결과는 응용 연구 여러 분야에 영향을 미칠 것입니다.

참고: 기존 레이저 기술, 2만 광년 밖 외계인 끌어당길 만큼 강력

특히 펄스 증폭, 자기조절 레이저, 광학 주파수 빗, 포토닉 신경망 같은 근본적 AI 접근법을 포함한 다양한 스마트 광학 구조의 자기최적화 방법 개발을 도울 것입니다.