Extreme gebeurtenissen vinden plaats in veel waarneembare contexten. De natuur is een vruchtbare bron:woeste watergolven die hoog boven de deining deinen, moessonregens, wildvuur, enz. Van klimaatwetenschap tot optica, natuurkundigen hebben de kenmerken van extreme gebeurtenissen geclassificeerd, het begrip uit te breiden tot hun respectieve expertisedomeinen. Bijvoorbeeld, extreme gebeurtenissen kunnen plaatsvinden in telecommunicatiedatastromen. In glasvezelcommunicatie waar een groot aantal tijdsruimtelijke fluctuaties kan optreden in transoceanische systemen, een plotselinge golf is een extreme gebeurtenis die moet worden onderdrukt, omdat het mogelijk componenten kan wijzigen die verband houden met de fysieke laag of de verzending van privéberichten kan verstoren.

Onlangs, extreme gebeurtenissen zijn waargenomen in kwantumcascadelasers, zoals gerapporteerd door onderzoekers van Télécom Paris (Frankrijk) in samenwerking met UCLA (VS) en TU Darmstad (Duitsland). De gigantische pulsen die deze extreme gebeurtenissen kenmerken, kunnen bijdragen aan de plotselinge, scherpe uitbarstingen die nodig zijn voor communicatie in neuromorfe systemen, geïnspireerd door de krachtige rekenvaardigheden van de hersenen. Gebaseerd op een kwantumcascadelaser (QCL) die midden-infrarood licht uitstraalt, de onderzoekers ontwikkelden een basis optisch neuronsysteem dat werkt 10, 000 keer sneller dan biologische neuronen. Hun rapport is gepubliceerd in Geavanceerde fotonica .

Gigantische pulsen, scherpstellen

Olivier Spits, Télécom Paris research fellow en eerste auteur op het papier, merkt op dat de gigantische pulsen in QCL's met succes kunnen worden geactiveerd door een "pulse-up-excitatie, " een korte toename van de biasstroom in kleine amplitude. Senior auteur Frédéric Grillot, Professor aan Télécom Paris en de Universiteit van New Mexico, legt uit dat dit triggervermogen van het grootste belang is voor toepassingen zoals optische neuronachtige systemen, die vereisen dat optische bursts worden geactiveerd als reactie op een verstoring.

Het optische neuronsysteem van het team vertoont gedrag zoals dat wordt waargenomen in biologische neuronen, zoals drempels, fasische pieken, en tonic spiking. Fijnafstemming van modulatie en frequentie maakt controle over tijdsintervallen tussen pieken mogelijk. Grillot legt uit, "Het neuromorfe systeem vereist een sterke, superdrempelige stimulus voor het systeem om een ​​piekreactie af te vuren, terwijl fasische en tonische spiking overeenkomen met enkele of continue spike-afvuren na de aankomst van een stimulus." Om de verschillende biologische neuronale reacties te repliceren, onderbreking van regelmatige opeenvolgingen van uitbarstingen die overeenkomen met neuronale activiteit is ook vereist.

Kwantumcascadelaser

Grillot merkt op dat de bevindingen die door zijn team zijn gerapporteerd, het steeds betere potentieel van kwantumcascadelasers aantonen in vergelijking met standaarddiodelasers of VCSEL's, waarvoor momenteel meer complexe technieken nodig zijn om neuromorfe eigenschappen te bereiken.

Voor het eerst experimenteel aangetoond in 1994, kwantumcascadelasers zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor gebruik onder cryogene temperaturen. Hun ontwikkeling is snel gegaan, waardoor gebruik bij warmere temperaturen mogelijk is, tot kamertemperatuur. Vanwege het grote aantal golflengten dat ze kunnen bereiken (van 3 tot 300 micron), QCL's dragen bij aan vele industriële toepassingen zoals spectroscopie, optische tegenmaatregelen, en communicatie in de vrije ruimte.

Volgens Grillot, de fysica die betrokken is bij QCL's is totaal anders dan die bij diodelasers. "Het voordeel van kwantumcascadelasers ten opzichte van diodelasers komt van de sub-picoseconde elektronische overgangen tussen de geleidingsbandtoestanden (subbanden) en een levensduur van de drager die veel korter is dan de levensduur van het foton, ", zegt Grillot. Hij merkt op dat QCL's een heel ander lichtemissiegedrag vertonen onder optische feedback, inclusief maar niet beperkt tot gigantische pulsgebeurtenissen, laserreacties op modulatie, en frequentiekamdynamiek.