基于智能算法的光子器件研究展望

宋宇鋒/SONG Yufeng

張晗/ZHANG Han

（深圳大學(xué)，中國 深圳 518060）

激光是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)明之一，它的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。以摻雜稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)的光纖激光器，由于其在光通信、光數(shù)據(jù)存儲、傳感技術(shù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，近年來發(fā)展十分迅速。脈沖形式的光纖激光器可保證良好的光束質(zhì)量，在較低的平均輸出功率下獲得極高的重復(fù)頻率和峰值功率，同時(shí)還具有極好的柔性與靈活性、可設(shè)計(jì)高可靠性、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)。由于在未來高速光通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，超短脈沖光纖激光器已成為目前激光技術(shù)領(lǐng)域最具活力的研究對象。

隨著人工智能等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，智能化成為近年來各行各業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢。人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用為各行各業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。人工智能技術(shù)正在不斷滲透到人類的生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域。人類的生產(chǎn)生活方式也將因此發(fā)生深刻改變。激光制造作為高端制造產(chǎn)業(yè)的重要分支，具有柔性、綠色、高速、高精度等特點(diǎn)。這些先天“基因”優(yōu)勢非常適合與信息化、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能相結(jié)合，因此，對于高端制造行業(yè)的激光產(chǎn)業(yè)來說，智能化也將成為必然趨勢。經(jīng)過多年發(fā)展，通信與光電子行業(yè)的融合正在顯示巨大的產(chǎn)業(yè)前景?？梢灶A(yù)見，智能光電子及智能光通信領(lǐng)域?qū)⑹俏磥砉怆娮赢a(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

1 智能光子器件研究簡介

最近10年來，人工智能技術(shù)快速發(fā)展，以算法為基礎(chǔ)的人工智能技術(shù)正在廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)。算法是用來解決一個(gè)具有良好規(guī)格說明的計(jì)算問題的工具。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)不斷更新，越來越多規(guī)模大且復(fù)雜程度高的工程和經(jīng)濟(jì)問題迫使研究者們研發(fā)更多的算法以進(jìn)一步提高效率、節(jié)約資源。模擬自然現(xiàn)象和人類智慧的智能優(yōu)化算法近年來逐漸成為研究熱點(diǎn)。按照智能優(yōu)化算法解決問題的方式劃分，已經(jīng)開發(fā)出的算法有模擬退火算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、蟻群算法和粒子群算法等，這些算法有各自的適用域和局限性。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能算法將在越來越多的場景中發(fā)揮獨(dú)特作用。

智能光子器件是將智能算法等數(shù)學(xué)工具應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域并實(shí)現(xiàn)某種特定功能的器件。伴隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能光子器件近年來開始吸引越來越多研究者的注意。

2 智能光子器件研究進(jìn)展

根據(jù)功能劃分，智能光子器件包括智能激光器、智能通信器件、智能光傳感器件等。目前已經(jīng)被研究者們重點(diǎn)研究并取得重要成果的是智能鎖模光纖激光器。

鎖模激光技術(shù)是在激光器內(nèi)不同振蕩縱模之間實(shí)現(xiàn)位相鎖定，最終獲得規(guī)則序列的超短脈沖的技術(shù)。光纖激光器中產(chǎn)生超短脈沖的主要方式是被動(dòng)鎖模技術(shù)。被動(dòng)鎖模技術(shù)通過引入可飽和吸收的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)激光鎖模。根據(jù)機(jī)制引入的方式，被動(dòng)鎖模激光器中的可飽和吸收體主要包括真實(shí)可飽和吸收體和人工可飽和吸收體兩類。真實(shí)可飽和吸收體是指在激光腔內(nèi)插入具有可飽和性質(zhì)的材料器件實(shí)現(xiàn)鎖模。目前在近紅外波段比較成熟的是半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）[1]。由于其穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)， SESAM鎖模激光器是目前主流的商用鎖模激光器。然而， SESAM波長響應(yīng)范圍比較窄，無法適用于寬波段的激光鎖模。尤其是對于2 um及以上的波段，由于缺乏穩(wěn)定可靠的可飽和吸收體，鎖模光纖激光器的發(fā)展一直相對滯后。

人工可飽和吸收體包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）[2]、非線性光纖環(huán)形鏡[3]等。在非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模的情況下，當(dāng)具有任意偏振的光入射到裝置中時(shí)，由于光纖前起振器的作用，入射光的偏振態(tài)將被轉(zhuǎn)換成線偏振。當(dāng)入射光在光纖中傳播時(shí)，由于單模光纖雙折射的存在，光的偏振在一定長度的傳播后將變成橢圓偏振。在光強(qiáng)較弱的情況下，隨著光纖長度的增加，光的偏振將在每一拍長內(nèi)旋轉(zhuǎn)。然而，如果光的強(qiáng)度較大，在光克爾效應(yīng)（即光纖的自相位調(diào)制）的作用下，非線性相移會被引入，從而導(dǎo)致光的偏振發(fā)生改變。此外，光通過起偏器的傳輸也取決于光的強(qiáng)度。若偏振控制器和偏振器的方向設(shè)置得當(dāng)，光越強(qiáng)，通過分析儀的光強(qiáng)傳輸就越大，由此將形成可飽和吸收效應(yīng)，最終產(chǎn)生鎖模脈沖。值得注意的是，在非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模光纖激光器中，偏振相關(guān)元件必須插入激光器腔中。腔中存在偏振敏感元件時(shí)將固定光在空腔位置的偏振態(tài)，因此，在非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模光纖激光器中形成的孤子表現(xiàn)為標(biāo)量孤子特性。1992年，MATASA V. J.等首次通過非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出脈寬1.55 ps的全光纖激光器[4]。2007年，TANG D.Y.等對非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光腔內(nèi)進(jìn)行非線性管理，得到38.8 MHz重復(fù)頻率、47 fs脈寬的輸出脈沖光[5]。然而，基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的被動(dòng)鎖模光纖激光器具有偏振敏感性且不夠穩(wěn)定，這大大限制了其在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

目前，現(xiàn)有報(bào)道的智能鎖模光纖激光技術(shù)主要針對基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)的鎖模技術(shù)的缺點(diǎn)，即為了解決非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模存在的不穩(wěn)定等問題而發(fā)展出來的改進(jìn)技術(shù)。智能激光鎖模技術(shù)也開始興起，并且取得了不錯(cuò)的研究成果。2010年，德國明斯特大學(xué)HELLWIG T.等通過在激光器腔內(nèi)加入模塊結(jié)構(gòu)化的壓電式擠壓器作為自動(dòng)偏振控制器件，并使用全光纖振幅分割偏振計(jì)測量腔內(nèi)的偏振態(tài)，得到了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的鎖模特征分布圖[6]，為自動(dòng)鎖模的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。2012年，華東師范大學(xué)曾和平教授團(tuán)隊(duì)利用遍歷和脈沖計(jì)數(shù)的方法，結(jié)合電控偏振控制器（EPC），實(shí)現(xiàn)了初步的自動(dòng)鎖模[7]。該實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中偏振分束器（PBS）作為輸出耦合器將諧振腔中的部分光輸出到腔外進(jìn)行檢測。光電探測器（PD）獲得的電信號之后進(jìn)入脈沖整形模塊變成數(shù)字信號。該裝置用一個(gè)高速計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)結(jié)果傳遞給微控制單元（MCU）。MCU根據(jù)計(jì)數(shù)的結(jié)果來判定當(dāng)前是否為鎖模狀態(tài)，并改變EPC的控制電壓，直至找到鎖模狀態(tài)為止。為實(shí)現(xiàn)脈沖的高信噪比，可通過調(diào)節(jié)2個(gè)腔內(nèi)衍射光柵之間的距離，將光纖激光器腔內(nèi)的色散優(yōu)化接近為零，并通過調(diào)整腔內(nèi)的3個(gè)波片來微調(diào)腔內(nèi)的偏振態(tài)。該實(shí)驗(yàn)裝置還能精調(diào)鎖模狀態(tài)的光譜形狀、脈沖寬度和載波包絡(luò)偏置頻率。在光路不變的情況下，可通過MCU設(shè)置精確的電壓值，來驅(qū)動(dòng)EPC直接復(fù)現(xiàn)鎖模狀態(tài)。

▲圖1 基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置圖[7]

2014年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李莎等利用MSP430型單片機(jī)、電磁鐵偏振控制器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等器件實(shí)現(xiàn)光纖激光器自動(dòng)鎖模[8]。他們同樣采用整形電路來獲取數(shù)字信號并在MCU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在MCU上運(yùn)行以脈沖計(jì)數(shù)為核心的快速鑒別算法來反饋控制偏振控制器，最后達(dá)到鎖模狀態(tài)。該鎖模激光器通過持續(xù)監(jiān)測輸出信號，實(shí)現(xiàn)失鎖恢復(fù)功能，具備一定的抗環(huán)境干擾能力。此外，鎖模時(shí)MCU輸出的參數(shù)可以被保存在帶電可擦可編程只讀存儲器中，這樣系統(tǒng)下次工作時(shí)可以立刻進(jìn)入鎖模狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)得到了重復(fù)頻率為6.238 MHz的自動(dòng)鎖模脈沖，并且鎖模啟動(dòng)時(shí)間小于90 s?；诖私Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)鎖模在后續(xù)改進(jìn)算法和提高系統(tǒng)工作頻率后可以將鎖模時(shí)間降低到20 s以內(nèi)。同年，美國華盛頓大學(xué)西雅圖分校KUTZ J. N.教授團(tuán)隊(duì)首次將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到自動(dòng)鎖模，并提出“自調(diào)諧光纖激光器”的概念[9]。自適應(yīng)控制的機(jī)器學(xué)習(xí)策略，能夠產(chǎn)生有效的自調(diào)諧鎖模算法。其中，基于多參數(shù)的極值尋找控制算法的自適應(yīng)控制器能夠在鎖模激光器中獲得并保持高功率單脈沖狀態(tài)，而且機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠?qū)W習(xí)諧振腔的特征，并進(jìn)行快速的狀態(tài)識別來改善性能。該實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)函數(shù)將輸出功率除以脈沖頻譜的四階中心距，從而使得總能量與鎖模方案的時(shí)間保持平衡。2015年，法國勃艮第大學(xué)的ANDRAL U.等首次提出利用演化算法，結(jié)合電動(dòng)偏振控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖模[10]。該演化算法模仿生物進(jìn)化過程來優(yōu)化給定的控制目標(biāo)，并且算法能夠在12代之內(nèi)收斂，即12代之內(nèi)可以找到目標(biāo)脈沖狀態(tài)，這對應(yīng)著30 min的算法運(yùn)行時(shí)間。該實(shí)驗(yàn)中的收斂時(shí)間主要受限于EPC的熱響應(yīng)時(shí)間，所以使用更快的EPC可以大大減少算法收斂的時(shí)間。此外，該實(shí)驗(yàn)不僅實(shí)現(xiàn)了基頻鎖模，還實(shí)現(xiàn)了不穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模。2016年，英國帝國理工學(xué)院WOODWARD R.I.等[11]通過使用遺傳算法對腔內(nèi)的偏振態(tài)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鎖模。2017年，美國科羅拉多大學(xué)的WINTERS D.G.等利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)全正常色散光纖激光器的自動(dòng)鎖模，同時(shí)利用爬山算法進(jìn)行失鎖恢復(fù)[12]。在這些自動(dòng)鎖模相關(guān)的研究中，自動(dòng)鎖模往往需要耗時(shí)約30 min。其中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最短鎖模時(shí)間為90 s，最短的失鎖恢復(fù)時(shí)間為30 s。

最近，上海交通大學(xué)義理林教授課題組開發(fā)了基于擬人算法的智能鎖模激光器，如圖2所示。該裝置利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）組成實(shí)時(shí)反饋控制電路。結(jié)合擬人算法和實(shí)時(shí)反饋控制電路，該智能鎖模光纖激光器可以自動(dòng)鎖定至基頻鎖模、諧波鎖模、調(diào)Q和調(diào)Q鎖模等多種脈沖狀態(tài)。此外，該智能鎖模光纖激光器大幅刷新自動(dòng)鎖模和失鎖恢復(fù)的耗時(shí)記錄。實(shí)驗(yàn)中最快自動(dòng)鎖模僅耗時(shí)0.22 s，最快失鎖恢復(fù)僅耗時(shí)14.8 ms[13]。之后該課題組又結(jié)合時(shí)間拉伸技術(shù)，利用實(shí)時(shí)光譜對智能鎖模激光器做了進(jìn)一步研究[14]。

▲圖2 基于擬人算法的智能鎖模光纖激光器裝置示意圖[13]

值得注意的是，目前智能激光器的研究報(bào)道僅限于利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的光纖激光器，該領(lǐng)域的研究剛剛起步，尚有很大的發(fā)展空間。

3 智能光子器件研究展望

本節(jié)中，我們將介紹智能光子器件的未來研究發(fā)展方向。

3.1 基于實(shí)時(shí)光譜探測的智能光子器件

最新研究表明，智能鎖模技術(shù)可與時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)相結(jié)合。時(shí)間拉伸色散傅里葉變換，又稱時(shí)間拉伸變換或時(shí)域傅里葉變換，是一種光譜學(xué)技術(shù)。其基本思想是利用光學(xué)色散來區(qū)分不同波長的光，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析光譜的目標(biāo)。該技術(shù)被最早提出應(yīng)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換，以克服模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度及分辨率限制，其后又被應(yīng)用到實(shí)時(shí)光譜儀、實(shí)時(shí)成像、光學(xué)怪波、高速顯微鏡、受激拉曼光譜儀等。如果把時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)所測的實(shí)時(shí)光譜數(shù)據(jù)融入智能算法中，將有望大幅提高算法的準(zhǔn)確度，進(jìn)而可縮減激光器鎖模啟動(dòng)時(shí)間，快速找到目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行研究。時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)還可以對智能鎖模的啟動(dòng)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，快速排查系統(tǒng)故障，便于改進(jìn)及優(yōu)化算法等。將智能鎖模技術(shù)與時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)同時(shí)運(yùn)用到光纖激光器鎖模，有望解決鎖模激光穩(wěn)定性不高的問題。深入研究激光器的鎖模脈沖動(dòng)力學(xué)特性，有助于加深對光纖激光器特性的理解和認(rèn)識。

3.2 基于二維材料的中紅外智能光子器件

近年來，中紅外波段光纖激光器已成為領(lǐng)域內(nèi)新的研究方向。中紅外波段的激光在激光通信、激光雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、工業(yè)加工、激光武器對抗等領(lǐng)域中有著極其重要的應(yīng)用。比如，2 μ m中紅外波段激光對水吸收強(qiáng)烈，因此可在醫(yī)學(xué)上用于激光微治療和組織切除手術(shù)。傳統(tǒng)的塑料材料對于紫外到近紅外的激光幾乎沒有吸收，而2 μ m波段激光正好位于大部分聚合物的吸收帶，因此，2 μ m激光可用于聚合物材料的切割焊接等。中紅外波段位于大氣吸收窗口。位于中紅外波段的脈沖激光可用于激光測距、遠(yuǎn)程遙感、無線通信等方面。大部分軍用探測傳感器的響應(yīng)波長都位于中紅外波段，峰值功率高的中紅外超短脈沖激光用于紅外干擾。中紅外激光的廣闊應(yīng)用前景以及中紅外激光器極具活力的市場，在近年來引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。大力發(fā)展中紅外激光已經(jīng)成為激光領(lǐng)域的新趨勢?，F(xiàn)有的中紅外激光產(chǎn)生的方式包括半導(dǎo)體激光器、光學(xué)倍頻激光器、過渡金屬元素?fù)诫sII-VI族化合物激光器、光纖激光器等。而較為常見的在2 μ m波段產(chǎn)生超短脈沖的激光源，主要有摻銩激光器、銩鈥共摻激光器、基于拉曼頻移的摻鉺光纖激光器等。

相比于近紅外鎖模激光器，由于缺乏該波段的可飽和吸收體，2 μ m的中紅外鎖模激光發(fā)展相對滯后。2014年，黑磷作為厚度相關(guān)的直接帶隙材料被發(fā)現(xiàn)，它具有實(shí)現(xiàn)新型光電器件的應(yīng)用潛力，特別適合用于2 μ m中紅外波長鎖模光纖激光器的研究。江蘇師范大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、波蘭華沙理工大學(xué)等均對基于黑磷鎖模的中紅外激光器進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道。雖然黑磷材料的出現(xiàn)有效地解決了中紅外波段可飽和吸收體器件缺乏的問題，但是目前黑磷在2 μ m波段的超短脈沖研究還處于早期階段。由于缺乏黑磷鎖模的中紅外光纖激光器的系統(tǒng)性研究，人們對諧振腔脈沖產(chǎn)生機(jī)制缺乏足夠認(rèn)識，仍然存在無法自啟動(dòng)、脈沖質(zhì)量不高、無法滿足高功率激光需求等問題。針對中紅外超短脈沖的應(yīng)用需求及傳統(tǒng)鎖模技術(shù)難以適用于中紅外波段的局限，智能算法可以被進(jìn)一步用于研究中紅外波段被動(dòng)鎖模脈沖的產(chǎn)生機(jī)理及其特性，和研發(fā)中紅外波段的智能鎖模激光器。同時(shí)針對黑磷等二維材料制備工藝尚不完全成熟的現(xiàn)狀，智能算法可對材料品質(zhì)進(jìn)行快速測試，同時(shí)反饋出符合要求的材料，以加快二維材料相關(guān)的光電應(yīng)用及發(fā)展。

3.3 智能光學(xué)頻率梳

光學(xué)頻率梳由等距線組成，而頻譜是由一系列均勻間隔且具有相干穩(wěn)定相位關(guān)系的頻率分量組成的光譜。光學(xué)頻率梳光源的發(fā)展仍然是一個(gè)相對年輕的研究領(lǐng)域。近年來，光頻梳的應(yīng)用逐漸增多，如精密激光光譜和頻率計(jì)量遙測、光學(xué)波形、微波合成、超高數(shù)據(jù)速率傳輸、微波濾波、太赫波產(chǎn)生等。目前已經(jīng)有多個(gè)產(chǎn)生光頻梳的方法，基于微諧振器的光頻梳生成、垂直外腔表面發(fā)射激光器和鎖模光纖激光器。

光頻梳對輸出頻率梳齒的穩(wěn)定性有很高要求，這對于鎖模光纖激光器的脈沖穩(wěn)定性是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而基于智能鎖模的孤子光纖激光器，有望解決這一問題。如前所述，可編程的智能鎖模光纖激光器具有自動(dòng)恢復(fù)的功能，可對脈沖抖動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，這對于提高脈沖的穩(wěn)定性具有重大意義。2015年，美國KUTZ J. N.等介紹了利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法穩(wěn)定鎖模激光器及頻率梳的方法[15]。他們將近年出現(xiàn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法結(jié)合起來，構(gòu)建一種能夠在鎖模激光器中實(shí)現(xiàn)自校正和接近最優(yōu)性能的算法。該算法結(jié)構(gòu)既有學(xué)習(xí)模塊，也有執(zhí)行模塊。該算法實(shí)現(xiàn)了光學(xué)頻率梳的自調(diào)諧。這一探索為未來智能光頻率梳的發(fā)展提供了重要參考。

3.4 其他智能光子器件

可以預(yù)見的是，智能光子器件的研究并不局限于上述介紹的部分，例如全光通信、光傳感等應(yīng)用場景對智能化同樣具有較高的需求。結(jié)合目前的發(fā)展?fàn)顩r，研究者們有望在未來開發(fā)出智能波長轉(zhuǎn)換器、智能光開關(guān)、智能光纖傳感器、智能光濾波器等一批新型光學(xué)器件。

4 結(jié)束語

本文中，我們簡要回顧了智能光子器件的相關(guān)研究，重點(diǎn)梳理了將傳統(tǒng)超短脈沖光纖激光器優(yōu)化改進(jìn)成輸出特性可編程的智能鎖模激光器的相關(guān)研究進(jìn)展，同時(shí)對該領(lǐng)域的未來發(fā)展做了一些展望，包括中紅外光纖激光器、光學(xué)頻率梳、光纖通信器件等相關(guān)領(lǐng)域，為未來光子技術(shù)智能化和產(chǎn)業(yè)化提供重要參考。