新進展!量子級聯雷射器呈現出極端的脈衝

2020-12-27 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀:基於量子級聯雷射器發射的中紅外雷射,研究人員發展了一個基本的光學神經元系統 ,運行速度比生物神經的速度快10,000。這一研究成果發表在近期出版的期刊《Advanced Photonics》上。

量子級聯光電子器件

在許多觀察到的環境中,會發生一些極端的現象。自然界就是一個多產源 :洶湧的水波在湧浪之上洶湧而過 、季風降雨以及 野火等。從氣候科學到光學,物理學家對極端事件的特徵進行了分類,拓展了其概念的內涵。例如,極端事件可以在電信數據流中發生。在光纖通訊時,大量的時空波動會在 跨洋系統 中發生,突然的湧浪就是一個極端事件,是必須要壓縮控制的。因為這一極端事件會潛在的改變物理層的部件或擾亂私人通訊的傳輸。

在最近,極端事件在量子級聯雷射器中被觀察到,這一事件經由法國的Télécom Paris 研究人員聯合美國的UCLA 和德國的TU Darmstad所共同發現的。巨大的脈衝表徵這些極端的事件,可以對由於大腦的強大的計算能力所造成的神經形態系統中的通訊所帶來的突發的、突然爆發的事件的表徵。基於量子級聯雷射器發射的中紅外雷射,研究人員發展了一個基本的光學神經元系統 ,運行速度比生物神經的速度快10,000。這一研究成果發表在近期出版的期刊《Advanced Photonics》上。

經由鏡子對用於OF的外腔所進行的實驗設置

圖解: NPBS, nonpolarizing beam splitter(非極化分束); MCT, mercury–cadmium–telluride detector(汞-鎘-碲化物探測器); OSCI, fast oscilloscope(快速示波器 ); AWG, arbitrary waveform generator(任意波形發生器); LDD, laser diode driver(雷射二極體驅動器).

巨大的脈衝、精細的調製

Olivier Spitz,系Télécom Paris的研究人員,且是論文的第一作者,注意到量子級聯雷射器中的巨大的脈衝是可以被增加的一個 脈衝上激勵(pulse-up excitation)所觸發。這是一個短時間的小振幅增加的偏壓電流。作者 Frédéric Grillot,系Télécom Paris 和新墨西哥大學的教授,解釋說這一觸發能力是在光學神經元系統等應用場合最為重要的事情,需要光突發在攝動時能夠被觸發。

這一團隊的光學神經元系統展示了在生物神經中所觀察到的行為,如閾值、相位尖峰、補藥等。調製和頻率的精細調製使得對尖刺間的時間間隔的控制可以很好的完成。Grillot 解釋說,神經形態系統 需要一個強大的、超閾值刺激的系統來點燃尖刺的反應,此時的相位和主音峰值同單個的或連續的尖刺點燃相對應,遵循刺激的到來。為了複製不同神經元的反應,同神經元活動相關的有規律的連續爆發的解釋也是必須的。

兩級級聯雷射器

Grillot 注意到團隊所報導的發現顯示,量子級聯雷射器不斷增加的潛在應用,同常規的半導體雷射或VCSELs相比,是非常複雜的技術,在當前需要實現神經形態特性。

實驗顯示,在1994年第一次被發明出來的時候,發展的量子級聯雷射器的原型是在低溫下使用的。這一發展非常迅速,目前我們可以在溫暖的溫度下,甚至在室溫下也 可以工作。由於該類型的雷射器可以實現大量的波長,從3nm到300微米範圍均可實現,量子級聯雷射器在工業應用中日益增多,尤其是光譜學、光學對抗和自由空間的通訊。

依據Grillot的觀點,在量子級聯雷射器中的物理現象同半導體雷射是顯著不同的。量子級聯雷射器比半導體雷射器要優越,在於 在導帶狀態 的亞皮秒電子躍遷和載流子壽命遠遠短於光子壽命。 Grillot說到,量子級聯雷射器在光反饋的條件下呈現出完全不同於光發射的行為,包括但不限於巨大脈衝的發生,雷射同調製的反饋以及頻率梳動力學 等。

文章來源: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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