Et team af forskere ved University of California, Los Angeles (UCLA) har introduceret en ny ramme til design og skabelse af universelle diffraktive bølgeledere, der kan kontrollere lysstrømmen på meget specifikke og komplekse måder.
Denne nye teknologi bruger kunstig intelligens (AI), specifikt dyb læring, til at designe en række strukturerede overflader, der styrer lys med høj effektivitet og kan udføre en lang række funktioner, der er udfordrende for konventionelle bølgeleder.
Arbejdet offentliggøres i tidsskriftet Naturkommunikation.
Optiske bølgeledere, som er strukturer, der styrer lysbølger, er grundlæggende komponenter i moderne teknologi, der er essentielle for alt fra globale telekommunikationsnetværk til integrerede fotoniske kredsløb og avancerede sensorer.
Traditionelle bølgeledere, som fiberoptiske kabler, begrænser lys inden for et kernemateriale, der har et højere brydningsindeks end dets omgivende beklædning, der styrer lys over lange afstande med minimalt tab.
At skabe bølgeledere, der kan udføre mere komplekse opgaver – såsom filtrering af specifikke lystilstande, opdeling af dem i forskellige kanaler baseret på deres polarisering og/eller spektrum eller bøjet lys omkring skarpe hjørner – kræver ofte komplekse design, specialiserede materialer og sofistikerede fabrikationsprocesser.
Forskningen, ledet af professor Aydogan Ozcan fra UCLA Electrical and Computer Engineering Department, sigter mod at overvinde disse udfordringer ved hjælp af en kraftfuld, AI-drevet designtilgang. I stedet for at stole på traditionelle materialer for at begrænse lys, bruger det nye system en række tynde, gennemsigtige diffraktive lag.
Disse kaskadable lag, der kan betragtes som smarte, strukturerede overflader, optimeres af en dyb læringsalgoritme til kollektivt at skulpturere og lede en lysstråle, når den forplantes. AI finjusterer mønstrene på hver overflade for at sikre, at ønskede lystilstande passerer igennem med minimalt tab og høj renhed, mens uønskede tilstande filtreres ud.
“Vores diffraktive bølgelederramme genimagineres, hvordan vi kan kontrollere lys. I stedet for at blive begrænset af de fysiske egenskaber ved materialer, kan vi undervise i en række overflader til at guide lys og udføre komplekse optiske opgaver på en kaskaderet måde,” forklarede Dr. Ozcan, undersøgelsen er tilsvarende forfatter.
“Dette giver os en ny værktøjskasse, som et optisk LEGO-sæt, til at skabe meget alsidige, opgavespecifikke bølgeledere, der kan kaskaderes til en lang række applikationer, fra avancerede optiske kommunikationssystemer til kompakte og følsomme sensorer.”
Holdet demonstrerede kraften i deres platform ved at designe flere diffraktive bølgeledere, der udfører specialiserede funktioner, herunder tilstandsfiltre, der selektivt overfører eller blokerer specifikke rumlige og spektrale tilstande med lys og mode-splittende bølgeledere, der adskiller og multiplexer forskellige lystilstande til forskellige outputkanaler til kommunikation.
Deres design omfattede også bølgeledere til tilstandsspecifik polarisationskontrol, som opretholder den ønskede polarisationstilstand for visse rumlige tilstande, mens de filtrerer andre.
En af de betydelige fordele ved denne teknologi er dens skalerbarhed og alsidighed. Et design, der er optimeret til en bølgelængde, kan fysisk skaleres til at arbejde i andre dele af det elektromagnetiske spektrum, såsom det synlige eller infrarøde, uden at skulle redesignes eller omskoles. Endvidere kan de diffraktive bølgeledere fungere i luft eller endda når de er nedsænket i væsker eller gasser og åbner nye anvendelser i sensing.
Denne forskning blev udført af et tværfagligt team fra UCLAs afdeling for elektrisk og computerteknik, bioingeniørafdeling og California Nanosystems Institute (CNSI) ledet af professorer Aydogan Ozcan og Mona Jarrahi fra UCLA.