Physics‐Informed Neural Network for Nonlinear Dynamics in Fiber Optics

非线性系统 人工神经网络 物理 孤子 偏微分方程 光纤 解算器 反向传播 计算机科学 应用数学 光学 人工智能 量子力学 数学 程序设计语言
作者
Xiaotian Jiang,Danshi Wang,Qirui Fan,Min Zhang,Chao Lü,Alan Pak Tao Lau
出处
期刊:Laser & Photonics Reviews [Wiley]
卷期号:16 (9) 被引量:126
标识
DOI:10.1002/lpor.202100483
摘要

Abstract A physics‐informed neural network (PINN) that combines deep learning with physics is studied to solve the nonlinear Schrödinger equation for learning nonlinear dynamics in fiber optics. A systematic investigation and comprehensive verification on PINN for multiple physical effects in optical fibers is carried out, including dispersion, self‐phase modulation, and higher‐order nonlinear effects. Moreover, both the special case (soliton propagation) and general case (multipulse propagation) are investigated and realized with PINN. In existing studies, PINN is mainly effective for a single scenario. To overcome this problem, the physical parameters (i.e., pulse peak power and amplitudes of subpulses) are hereby embedded as additional input parameter controllers, which allow PINN to learn the physical constraints of different scenarios and perform good generalizability. Furthermore, PINN exhibits better performance than the data‐driven neural network using much less data, and its computational complexity (in terms of number of multiplications) is much lower than that of the split‐step Fourier method. The results show that PINN is not only an effective partial differential equation solver, but also a prospective technique to advance the scientific computing and automatic modeling in fiber optics.
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