La lumière comme une partition : une puce photonique dirige les paquets d'ondes
Le chef d'orchestre lève sa baguette, et l'orchestre ne produit pas seulement un son, mais une partition complexe : chaque note résonne à son moment, à sa hauteur, avec le bon volume. La lumière aussi peut être une partition, si l'on contrôle son spectre et son temps. Auparavant, cela nécessitait des installations encombrantes qui ne pouvaient pas être reconfigurées après assemblage. Aujourd'hui, des chercheurs ont créé une puce photonique programmable qui dirige les impulsions lumineuses, et un réseau de neurones indique comment obtenir le motif souhaité.
Au cœur du système se trouve un laser femtoseconde dont les impulsions entrent dans une puce composée de huit étages d'interféromètres. Chaque étage divise l'impulsion en deux copies avec un retard réglable de 1 à 128 picosecondes. Des déphaseurs thermo-optiques définissent les coefficients de division, formant une séquence de jusqu'à 256 impulsions avec un pas de 1 picoseconde. Après amplification et compression, cette séquence est injectée dans une fibre hautement non linéaire, où naît un supercontinuum, c'est-à-dire un spectre lumineux très large issu d'une seule impulsion laser.
Pour contrôler le résultat, on utilise un échantillonnage optique asynchrone : un second laser avec une fréquence de répétition légèrement différente balaie le signal de sortie, et un cristal BBO fournit un spectrogramme, c'est-à-dire une carte de la distribution d'énergie en fonction du temps et de la longueur d'onde. L'optimisation est menée par un algorithme génétique et un essaim de particules, tandis qu'un réseau de neurones prédit les spectrogrammes à partir des réglages de la puce, accélérant ainsi la recherche.
L'expérience a montré que le système forme cinq motifs complexes dans une bande de 400 nm avec une résolution temporelle de 922 femtosecondes. Parmi eux, deux impulsions à 1700 nm avec un retard de 150 picosecondes, quatre impulsions espacées de 60 picosecondes, un chevauchement synchrone de quatre longueurs d'onde de 1640 à 1730 nm, et des retards spectralement codés de ±40 picosecondes. Le réseau de neurones, entraîné sur 5000 spectrogrammes expérimentaux, prédisait de nouveaux spectrogrammes avec une erreur de 12,2 % et réduisait le temps d'optimisation de 3 heures à quelques minutes, soit un facteur 15.
Auparavant, les sources de lumière à large bande avaient un profil fixe et ne pouvaient pas être reconfigurées de manière flexible. Désormais, l'utilisateur définit simplement les coordonnées cibles dans le spectrogramme, et le système trouve lui-même les réglages de la puce. Cela transforme le supercontinuum d'une source fixe en un instrument réglable, déjà applicable en microscopie multiphotonique, en spectroscopie et dans le traitement des matériaux. La puce-chef d'orchestre exécute n'importe quelle partition lumineuse à la demande.
Le réseau de neurones prédisait les spectrogrammes en 50 microsecondes, alors que la mesure expérimentale prenait 2 secondes, soit 40 000 fois plus rapide. L'entraînement sur 5000 exemples n'a pris que 6 minutes sur un processeur graphique.
L'idée d'une lumière programmable qui s'adapte à la tâche évoque le concept de systèmes optiques « intelligents » du roman « Light » de M. John Harrison, où la lumière est utilisée comme un environnement de calcul et un outil.