量子级联激光器中的极端事件使光学神经元系统比生物神经元快10000倍

量子级联光子器件

量子级联光子器件。Credit: Spitz等人,doi 10.1117/1.AP.2.6.066001

QCLS表现出极端脉冲

极端事件发生在许多可观察的上下文中。自然是一种多产权所有:流氓水波高于膨胀,季风降雨,野火等从气候科学到光学,物理学家已经分类了极端事件的特点,将概念扩展到他们各自的专业领域。例如,最终事件可以在电信数据流中进行。在传球系统中可能发生大量时空波动的光纤通信中,突然的浪涌是必须抑制的极端事件,因为它可以改变与物理层相关联的组件或者破坏私人消息的传输.

最近,在Quantum Cascade激光器中观察到极端事件,由Télécom巴黎(法国)的研究人员与UC洛杉矶(美国)合作,以及杜马斯塔德(德国)合作。表征这些极端事件的巨大脉冲可以为受大脑强大的计算能力的激发的神经形态系统中通信所需的突然急剧突发。基于散射中红外光的量子级联激光(QCL),研究人员开发了一个基本的光学神经元系统,比生物神经元快10,000×。他们的报告发表在先进光子学

巨大的脉冲,微调

Olivier Spitz,Télécom巴黎研究员和第一作者在论文中,通过增加“脉冲激励”,可以成功地触发QCLS中的巨型脉冲,偏置电流的短时小小幅度增加。Télécom巴黎教授和新墨西哥州大学的高级作者FrédéricGrillot解释说,这种触发能力对于诸如光学神经元的应用等应用至关重要,这需要响应于扰动来触发光学突发。

该团队的光学神经元系统展示了类似于在生物神经元中观察到的行为,如阈值、阶段性尖峰和强直尖峰。微调调制和频率允许控制之间的时间间隔峰值。格里洛解释说:“神经形态系统需要一个强大的、超阈值的刺激来触发一个尖峰反应,而阶段性和紧张性尖峰对应于刺激物到达后的单个或连续的尖峰反应。”为了复制各种生物神经元反应,也需要中断与神经元活动相对应的有规律的连续爆发。

量子级联激光器

格里洛特指出,他的团队报告的发现表明,与标准二极管激光器或vcsel相比,量子级联激光器的潜力越来越大,目前需要更复杂的技术来实现神经形态的特性。

1994年首次实验证明,量子级联激光器最初是为低温下使用开发的。它们的发展非常迅速,可以在较温暖的温度下使用,甚至可以在室温下使用。由于qcl可以实现大量的波长(从3微米到300微米),qcl有助于许多工业应用,如光谱学、光学对抗和自由空间通信。

根据格里洛的说法,qcl所涉及的物理原理与二极管激光器完全不同。“与二极管激光器相比,量子级联激光器的优势在于传导带态(子带)之间的亚皮秒电子跃迁和载流子寿命远短于光子寿命,”Grillot说。他指出,qcl在光反馈下表现出完全不同的发光行为,包括但不限于巨大的脉冲发生、激光对调制的响应和频率梳动力学。

参考:“Quantum Cascade Lasers的极端事件”由Olivier Spitz,Jiagui Wu,Andreas Herdt,GrégoryMaisons,Mathieu Carras,WolfgangE.Elsäßer,Chee-Wei Wong和FrédéricGrillot,2020年10月21日,先进光子学
ap.2.6.066001 DOI: 10.1117/1.

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