Quantum cascade lasers (QCLs) udviser ekstreme pulser

Ekstreme begivenheder forekommer i mange observerbare sammenhænge. Naturen er en produktiv kilde:slyngelstater vandbølger bølger højt over dønningen, monsunregn, skovbrand, osv. Fra klimavidenskab til optik, fysikere har klassificeret karakteristika ved ekstreme begivenheder, udvide begrebet til deres respektive ekspertiseområder. For eksempel, ekstreme begivenheder kan finde sted i telekommunikationsdatastrømme. I fiberoptisk kommunikation, hvor et stort antal rumlige og tidsmæssige udsving kan forekomme i transoceaniske systemer, en pludselig stigning er en ekstrem begivenhed, der skal undertrykkes, da det potentielt kan ændre komponenter forbundet med det fysiske lag eller forstyrre transmissionen af ​​private beskeder.

For nylig, ekstreme hændelser er blevet observeret i kvantekaskadelasere, som rapporteret af forskere fra Télécom Paris (Frankrig) i samarbejde med UCLA (USA) og TU Darmstad (Tyskland). De gigantiske impulser, der karakteriserer disse ekstreme begivenheder, kan bidrage til pludselige, skarpe udbrud, der er nødvendige for kommunikation i neuromorfe systemer, inspireret af hjernens kraftfulde beregningsevner. Baseret på en kvantekaskadelaser (QCL), der udsender mellem-infrarødt lys, forskerne udviklede et grundlæggende optisk neuronsystem, der opererer 10, 000 gange hurtigere end biologiske neuroner. Deres rapport er offentliggjort i Avanceret fotonik .

Kæmpepulser, finjustering

Olivier Spitz, Télécom Paris-forsker og første forfatter på papiret, bemærker, at de gigantiske impulser i QCL'er kan udløses med succes ved at tilføje en "pulse-up excitation, "en kortvarig stigning i små amplituden af ​​biasstrøm. Seniorforfatter Frédéric Grillot, Professor ved Télécom Paris og University of New Mexico, forklarer, at denne udløsende evne er af afgørende betydning for applikationer såsom optiske neuronlignende systemer, som kræver, at optiske bursts udløses som reaktion på en forstyrrelse.

Holdets optiske neuronsystem viser adfærd som dem, der observeres i biologiske neuroner, såsom tærskelværdi, phasic spiking, og tonic spiking. Finjustering af modulering og frekvens tillader kontrol af tidsintervaller mellem spidser. Grillot forklarer, "Det neuromorfe system kræver en stærk, super-tærskelstimulus for systemet til at udløse en spidsreaktion, der henviser til, at fasisk og tonisk spiking svarer til enkelt- eller kontinuerlig piggfyring efter ankomsten af ​​en stimulus. "For at replikere de forskellige biologiske neuronale reaktioner, afbrydelse af regelmæssige rækkefølger af udbrud svarende til neuronal aktivitet er også påkrævet.

Kvante kaskade laser

Grillot bemærker, at resultaterne rapporteret af hans team viser det stadig mere overlegne potentiale af kvantekaskadelasere sammenlignet med standarddiodelasere eller VCSEL'er, for hvilke der i øjeblikket kræves mere komplekse teknikker for at opnå neuromorfe egenskaber.

Eksperimentelt demonstreret for første gang i 1994, kvantekaskadelasere blev oprindeligt udviklet til brug under kryogene temperaturer. Deres udvikling er gået hurtigt, tillader brug ved varmere temperaturer, op til stuetemperatur. På grund af det store antal bølgelængder, de kan opnå (fra 3 til 300 mikron), QCL'er bidrager til mange industrielle anvendelser såsom spektroskopi, optiske modforanstaltninger, og frirumskommunikation.

Ifølge Grillot, Fysikken involveret i QCL'er er helt anderledes end i diodelasere. "Fordelen ved kvantekaskadelasere frem for diodelasere kommer fra de elektroniske overgange under picosekunder mellem ledningsbåndtilstandene (underbånd) og en bærerlevetid meget kortere end fotonlevetiden, " siger Grillot. Han bemærker, at QCL'er udviser helt anderledes lysemissionsadfærd under optisk feedback, herunder, men ikke begrænset til, gigantiske pulsforekomster, laserrespons på modulering, og frekvenskamdynamik.