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新进展!量子级联激光器呈现出极端的脉冲

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  江苏激光联盟导读:基于量子级联激光器发射的中红外激光,研究人员发展了一个基本的光学神经元系统 ,运行速度比生物神经的速度快10,000。这一研究成果发表在近期出版的期刊《Advanced Photonics》上。

  

  量子级联光电子器件

  在许多观察到的环境中,会发生一些极端的现象。自然界就是一个多产源 :汹涌的水波在涌浪之上汹涌而过 、季风降雨以及 野火等。从气候科学到光学,物理学家对极端事件的特征进行了分类,拓展了其概念的内涵。例如,极端事件可以在电信数据流中发生。在光纤通讯时,大量的时空波动会在 跨洋系统 中发生,突然的涌浪就是一个极端事件,是必须要压缩控制的。因为这一极端事件会潜在的改变物理层的部件或扰乱私人通讯的传输。

  在最近,极端事件在量子级联激光器中被观察到,这一事件经由法国的Télécom Paris 研究人员联合美国的UCLA 和德国的TU Darmstad所共同发现的。巨大的脉冲表征这些极端的事件,可以对由于大脑的强大的计算能力所造成的神经形态系统中的通讯所带来的突发的、突然爆发的事件的表征。基于量子级联激光器发射的中红外激光,研究人员发展了一个基本的光学神经元系统 ,运行速度比生物神经的速度快10,000。这一研究成果发表在近期出版的期刊《Advanced Photonics》上。

  

  经由镜子对用于OF的外腔所进行的实验设置

  图解: NPBS, nonpolarizing beam splitter(非极化分束); MCT, mercury–cadmium–telluride detector(汞-镉-碲化物探测器); OSCI, fast oscilloscope(快速示波器 ); AWG, arbitrary waveform generator(任意波形发生器); LDD, laser diode driver(激光二极管驱动器).

  巨大的脉冲、精细的调制

  Olivier Spitz,系Télécom Paris的研究人员,且是论文的第一作者,注意到量子级联激光器中的巨大的脉冲是可以被增加的一个 脉冲上激励(pulse-up excitation)所触发。这是一个短时间的小振幅增加的偏压电流。作者 Frédéric Grillot,系Télécom Paris 和新墨西哥大学的教授,解释说这一触发能力是在光学神经元系统等应用场合最为重要的事情,需要光突发在摄动时能够被触发。

  这一团队的光学神经元系统展示了在生物神经中所观察到的行为,如阈值、相位尖峰、补药等。调制和频率的精细调制使得对尖刺间的时间间隔的控制可以很好的完成。Grillot 解释说,神经形态系统 需要一个强大的、超阈值刺激的系统来点燃尖刺的反应,此时的相位和主音峰值同单个的或连续的尖刺点燃相对应,遵循刺激的到来。为了复制不同神经元的反应,同神经元活动相关的有规律的连续爆发的解释也是必须的。

  两级级联激光器

  Grillot 注意到团队所报道的发现显示,量子级联激光器不断增加的潜在应用,同常规的半导体激光或VCSELs相比,是非常复杂的技术,在当前需要实现神经形态特性。

  实验显示,在1994年第一次被发明出来的时候,发展的量子级联激光器的原型是在低温下使用的。这一发展非常迅速,目前我们可以在温暖的温度下,甚至在室温下也 可以工作。由于该类型的激光器可以实现大量的波长,从3nm到300微米范围均可实现,量子级联激光器在工业应用中日益增多,尤其是光谱学、光学对抗和自由空间的通讯。

  依据Grillot的观点,在量子级联激光器中的物理现象同半导体激光是显著不同的。量子级联激光器比半导体激光器要优越,在于 在导带状态 的亚皮秒电子跃迁和载流子寿命远远短于光子寿命。 Grillot说到,量子级联激光器在光反馈的条件下呈现出完全不同于光发射的行为,包括但不限于巨大脉冲的发生,激光同调制的反馈以及频率梳动力学 等。

  文章来源:Olivier Spitz et al, Extreme events in quantum cascade lasers, Advanced Photonics (2020). DOI: 10.1117/1.AP.2.6.066001

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