具有爆发脉冲的量子级联激光器

许多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源头：汹涌的海浪、季风降雨、野火等。从气候科学到光学，物理学家们已经对极端事件的特征进行了分类，将这一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，突然的浪涌是一种必须加以抑制的极端事件，因为它可能会改变与物理层相关的组件或中断私人消息的传输。

最近，来自巴黎电信公司（法国）的研究人员与加州大学洛杉矶分校（美国）和达姆施塔特工业大学（德国）的研究人员合作，在量子级联激光器中观察到了一种极端事件。这些极端事件的特征是巨大的脉冲，这些脉冲可以在大脑强大的计算能力的启发下，为神经形态系统的交流提供必要的突然的、尖锐的爆发。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，其运行速度是生物神经元的1万倍。他们的报告发表在《高级光子学Advanced Photonics》上。

上图所示为一种量子级联光子器件

巨大的脉冲，但是可微调

巴黎电信研究员和论文的第一作者Olivier Spitz指出，量子级联激光器中的巨脉冲可以通过添加“脉冲上激”成功触发，即偏置电流的短时小幅度增加。像墨西哥大学的高级教授解释说，触发光学系统的这种重要的光学系统的触发特性是非常重要的。

研究小组的光学神经元系统表现出类似生物神经元的行为，如阈值、相位峰值和强直峰值。微调调制和频率允许控制峰值之间的时间间隔。Grillot解释说，“神经形态系统需要一个强大的超阈值刺激，系统才会发出尖峰反应，而相性和强直性的尖峰对应于刺激到达后的单次或连续性尖峰放电。”为了复制各种生物神经元反应，与神经元活动相对应的规律性爆发序列也需要中断。

量子级联激光器

Grillot指出，他的团队报告的发现证明了量子级联激光器与标准二极管激光器或VCSEL（垂直腔面发射激光器）相比越来越优越的潜力，目前需要更复杂的技术来实现神经形态特性。

 1994年首次通过实验证明，量子级联激光器最初是在低温下使用的。他们的发展迅速，允许在更高的温度下使用，直到室温。由于量子级联激光器可以实现大量的波长（从3到300微米），量子级联激光器有助于许多工业应用，如光谱学、光学对抗和自由空间通信。

Grillot认为，量子级联激光器所涉及的物理性质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导带状态（子带）之间的亚皮秒电子跃迁，以及比光子寿命短得多的载流子寿命。”他指出，“量子级联激光器在光反馈下表现出完全不同的光发射行为，包括但不限于巨脉冲出现、激光对调制的响应以及频率梳动力学。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-10-quantum-cascade-lasers-qcls-extreme.html