量子级联激光器可产生巨脉冲

极端事件在许多条件下都会发生，自然界中就充满了各种极端事件：汹涌的洪水漫过山丘，季风带来大量降雨，山火燃烧肆虐等等。从气候到光学学科，物理学家归纳了极端事件的特征，将极端事件的概念延伸到了各自的专业领域中。例如远程通信数据流中的极端事件：跨洋光纤通信系统中可能出现大量的时空波动，这种突然发生的波动属于一种极端事件，如果不设法避免，可能会破坏物理层相关的组件，或导致信息传输中断。

近日，法国巴黎高等电信学院、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校与德国达姆施塔特工业大学的研究人员在量子级联激光器中观测到了极端事件。这类极端事件是一种巨脉冲，而这种爆发式的尖锐脉冲则是仿生人脑强大的计算能力的神经形态系统通讯所必需的。基于量子级联激光器所发出的中红外光，研究人员开发了一种比生物神经元运行速度快10000倍的基础光学神经元系统。此项研究结果发表于Advanced Photonics上。

图1 量子级联激光器装置（图源：Spitz et al., doi 10.1117/1.AP.2.6.066001）

“巨”脉冲，“微”调谐

法国巴黎高等电信学院的研究员、本文的第一作者Olivier Spitz发现，量子级联激光器产生的这种巨脉冲可通过施加“脉冲激发”触发，即施加一个短时间的小幅度偏置电流。本文主要作者，法国巴黎高等电信学院、美国新墨西哥大学的Frédéric Grillot教授解释说，这种由微扰触发光学爆发式脉冲的机制是光学神经元系统所必需的，因此这种触发机制的发现至关重要。

该团队的光学神经元系统实现了生物神经元的某些行为，如阈值、相图峰发放（Phasic Spiking）和激发峰发放（Tonic Spiking）。通过微调调制和频率，可控制激发脉冲之间的时间间隔。Grillot解释说：“神经形态系统需要一个超强的阈上刺激来激发一个尖峰反应，而相图峰和激发峰对应的是在刺激到来后的单个、连续的尖峰反应。”为了复制各种生物神经元反应，与神经元活动相对应的有规律的爆发脉冲之间的中断也是必需的。

量子级联激光器

Grillot指出，其团队的研究证明：与标准二极管激光器或垂直共振腔表面放射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）相比，量子级联激光器具有更大的应用前景。前两种激光器都需要复杂的技术，才可以实现神经形态特性。

在1994年首次投入实验时，量子级联激光器是为了在低温下使用而开发的。而如今其发展如此迅速，已经可以在更高的温度甚至室温下下使用。由于量子级联激光器的波长范围广（3到300微米），在许多工业应用中都有它的身影，如光谱学、光学对抗和自由空间通信领域。

Grillot说，量子级联激光器与二极管激光器的作用原理完全不同。“二极管激光器导带（子带）之间电子跃迁在亚皮秒量级，其载流子寿命光子寿命短得多，相比之下量子级联激光器具有明显优势。”他指出，在光反馈下，量子级联激光器展现出了完全不同的发射行为，如巨脉冲、激光调制响应和频率梳动态特征等。