量子级联激光器中的极端事件使光学神经元系统的速度比生物神经元快10,000倍

量子级联光子器件。

极端事件发生在许多可观察的环境中。大自然是一个多产的来源：流浪汹涌的水浪高涨超过高潮，季风雨，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，将其概念扩展到各自的专业领域。例如，极端事件可能发生在电信数据流中。在跨洋系统中可能发生大量时空波动的光纤通信中，突发浪涌是一种极端事件，必须加以抑制，因为它可能会改变与物理层相关的组件或干扰私人消息的传输。

最近，正如法国巴黎电信公司（TélécomParis）（法国）与美国加州大学洛杉矶分校（UC Los Angeles）（美国）和达姆斯塔德大学（TU Darmstad）合作研究的结果，在量子级联激光器中观察到了极端事件。这些极端事件的特征是巨大的脉冲，可能会激发大脑强大的计算能力所激发的神经形态系统中进行交流所必需的突然而突然的爆发。基于发射中红外光的量子级联激光器（QCL），研究人员开发了一种基本的光学神经元系统，其运行速×度比生物神经元快10,000。他们的报告发表在Advanced Photonics上。

巨脉冲，微调

巴黎电信研究人员，论文的第一作者奥利维尔·斯皮兹（Olivier Spitz）指出，通过添加“脉冲激励”，即偏置电流的短时小幅度增加，可以成功触发QCL中的巨大脉冲。高级作者弗雷德里克·格里洛特（FrédéricGrillot），巴黎电信公司和新墨西哥大学的教授解释说，这种触发能力对于像光学神经元样系统之类的应用至关重要，这类系统需要响应于扰动而触发光学脉冲串。

该小组的光学神经元系统演示了与生物神经元中观察到的行为类似的行为，例如阈值化，阶段性尖峰和强直性尖峰。调制和频率的微调允许控制尖峰之间的时间间隔。Grillot解释说：“神经形态系统需要强大的超阈值刺激，才能激发尖峰反应，而相变和补品尖峰对应于刺激到达后的单次或连续尖峰发射。”为了复制各种生物学的神经元反应，还需要中断与神经元活动相对应的规律的连续爆发。

量子级联激光器

Grillot指出，他的团队报告的发现证明，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，而对于标准的二极管激光器或VCSEL，目前需要更复杂的技术来实现神经形态特性。

1994年首次进行实验证明，量子级联激光器最初是为在低温下使用而开发的。它们的发展迅速，可以在更高的温度下使用，甚至可以在室温下使用。由于它们可以达到的大量波长（从3到300微米），QCL有助于许多工业应用，例如光谱学，光学对策和自由空间通信。

根据Grillot的说法，QCL中涉及的物理原理与二极管激光器中的物理原理完全不同。“与二极管激光器相比，量子级联激光器的优势在于，其导带状态（子带）之间具有亚皮秒级的电子跃迁，其载流子寿命比光子寿命短得多，” Grillot说。他指出，QCL在光反馈下表现出完全不同的发光行为，包括但不限于大脉冲出现，激光对调制的响应以及频率梳的动力学。

参考：Olivier Spitz，吴嘉贵，Andreas Herdt，GrégoryMaisons，Mathieu Carras，WolfgangE.Elsäßer，Chee-Wei Wong和FrédéricGrillot的“量子级联激光器中的极端事件”，2020年10月21日，Advanced Photonics.DOI：
10.1117 / 1.AP.2.6.066001