Eventos extremos ocorrem em muitos contextos observáveis. A natureza é uma fonte prolífica:ondas de água rebeldes surgindo bem acima do swell, chuvas de monção, incêndios, etc. Da ciência do clima à óptica, os físicos classificaram as características dos eventos extremos, estendendo a noção para seus respectivos domínios de especialização. Por exemplo, eventos extremos podem ocorrer em fluxos de dados de telecomunicações. Em comunicações de fibra óptica, onde um grande número de flutuações espaço-temporais podem ocorrer em sistemas transoceânicos, uma onda repentina é um evento extremo que deve ser suprimido, pois pode alterar potencialmente os componentes associados à camada física ou interromper a transmissão de mensagens privadas.

Recentemente, eventos extremos foram observados em lasers em cascata quântica, conforme relatado por pesquisadores da Télécom Paris (França) em colaboração com UCLA (EUA) e TU Darmstad (Alemanha). Os pulsos gigantes que caracterizam esses eventos extremos podem contribuir com o súbito, rajadas agudas necessárias para a comunicação em sistemas neuromórficos inspirados nas poderosas habilidades computacionais do cérebro. Com base em um laser de cascata quântica (QCL) que emite luz infravermelha média, os pesquisadores desenvolveram um sistema básico de neurônios ópticos operando 10, 000 vezes mais rápido que os neurônios biológicos. Seu relatório é publicado em Fotônica Avançada .

Pulsos gigantes, afinação

Olivier Spitz, Pesquisador da Télécom Paris e primeiro autor do artigo, observa que os pulsos gigantes em QCLs podem ser disparados com sucesso adicionando uma "excitação de pulso, "um aumento de pequena amplitude de curto prazo da corrente de polarização. Autor sênior Frédéric Grillot, Professor da Télécom Paris e da Universidade do Novo México, explica que essa capacidade de ativação é de suma importância para aplicações como sistemas semelhantes a neurônios ópticos, que requerem que rajadas ópticas sejam disparadas em resposta a uma perturbação.

O sistema de neurônios ópticos da equipe demonstra comportamentos semelhantes aos observados em neurônios biológicos, como limiar, spiking fásico, e aumento tônico. O ajuste fino da modulação e frequência permite o controle dos intervalos de tempo entre os picos. Grillot explica, "O sistema neuromórfico requer um forte, estímulo superlimiar para o sistema disparar uma resposta de spiking, enquanto o spiking fásico e tônico correspondem ao disparo de pico único ou contínuo após a chegada de um estímulo. "Para replicar as várias respostas neuronais biológicas, a interrupção de sucessões regulares de rajadas correspondentes à atividade neuronal também é necessária.

Laser de cascata quântica

Grillot observa que as descobertas relatadas por sua equipe demonstram o potencial cada vez mais superior dos lasers em cascata quântica em comparação com os lasers de diodo padrão ou VCSELs, para o qual técnicas mais complexas são atualmente necessárias para atingir propriedades neuromórficas.

Demonstrado experimentalmente pela primeira vez em 1994, lasers em cascata quântica foram originalmente desenvolvidos para uso em temperaturas criogênicas. Seu desenvolvimento avançou rapidamente, permitindo o uso em temperaturas mais quentes, até a temperatura ambiente. Devido ao grande número de comprimentos de onda que podem atingir (de 3 a 300 mícrons), Os QCLs contribuem para muitas aplicações industriais, como espectroscopia, contramedidas ópticas, e comunicações em espaço livre.

De acordo com Grillot, a física envolvida em QCLs é totalmente diferente daquela em lasers de diodo. "A vantagem dos lasers em cascata quântica sobre os lasers de diodo vem das transições eletrônicas de subpicosegundos entre os estados da banda de condução (sub-bandas) e uma vida útil da portadora muito mais curta do que a vida útil do fóton, "diz Grillot. Ele observa que os QCLs exibem comportamentos de emissão de luz completamente diferentes sob feedback óptico, incluindo, mas não se limitando a ocorrências de pulso gigante, respostas do laser à modulação, e dinâmica do pente de frequência.