極端事件發(fā)生在許多可觀察到的環(huán)境中。大自然是一個豐富的資源:洶涌澎湃的巨浪，季雨，野火等等。從氣候科學(xué)到光學(xué)，物理學(xué)家們已經(jīng)對極端事件的特征進(jìn)行了分類，并將這一概念擴(kuò)展到他們各自的專業(yè)領(lǐng)域。例如，極端事件可能發(fā)生在電信數(shù)據(jù)流中。在光纖通信中，跨洋系統(tǒng)可能發(fā)生大量的時空波動，突然的波動是必須加以抑制的極端事件，因為它可能會改變與物理層相關(guān)的組件或中斷私人消息的傳輸。

量子級聯(lián)光子器件。資料來源:Spitz et al.

最近，來自Télécom巴黎(法國)的研究人員與美國加州大學(xué)洛杉磯分校和德國達(dá)姆斯塔德理工大學(xué)的研究人員合作，在量子級聯(lián)激光器中觀察到了極端事件。這些極端事件的特征是巨大的脈沖，它可以為神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的交流提供必要的突然、尖銳的脈沖，這些神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)受到大腦強大計算能力的啟發(fā)�；�于發(fā)射中紅外光的量子級聯(lián)激光器(QCL)，研究人員開發(fā)了一種比生物神經(jīng)元運行速度快10000倍的基本光神經(jīng)元系統(tǒng)。他們的報告發(fā)表在《高級光子學(xué)》雜志上。

Olivier Spitz (Télécom巴黎研究員，該論文的第一作者)指出，QCLs中的巨大脈沖可以通過添加“脈沖激發(fā)”成功觸發(fā)，“脈沖激發(fā)”是一種短時間的小振幅偏置電流的增加。資深作者Frédéric Grillot是Télécom巴黎大學(xué)和新墨西哥大學(xué)的教授，他解釋說，這種觸發(fā)能力對于類似光學(xué)神經(jīng)元系統(tǒng)的應(yīng)用是至關(guān)重要的，這些系統(tǒng)需要在擾動的響應(yīng)下觸發(fā)光脈沖。

該團(tuán)隊的光神經(jīng)元系統(tǒng)展示了與在生物神經(jīng)元中觀察到的行為類似的行為，如閾值化、相位尖峰和緊張性尖峰。調(diào)制和頻率的微調(diào)允許控制尖峰之間的時間間隔。格里洛解釋說:“神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)需要一個強大的、超閾值的刺激來觸發(fā)spike反應(yīng)，而階段性和緊張性的spike反應(yīng)對應(yīng)的是在刺激到達(dá)后單個或連續(xù)的spike放電。“為了復(fù)制各種生物神經(jīng)元的反應(yīng)，也需要中斷與神經(jīng)元活動相對應(yīng)的有規(guī)律的連續(xù)爆發(fā)。”

格里洛指出，他的團(tuán)隊報告的研究結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)二極管激光器或VCSELs相比，量子級聯(lián)激光器的潛力越來越大，而后者目前需要更復(fù)雜的技術(shù)來實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)特性。

量子級聯(lián)激光器的首次實驗證明是在1994年，它最初是為低溫下使用而開發(fā)的。他們的發(fā)展迅速，可以在更高的溫度下使用，直到室溫。由于QCLs可以實現(xiàn)大量的波長(從3到300微米)，QCLs在許多工業(yè)應(yīng)用中都有貢獻(xiàn)，如光譜學(xué)、光學(xué)對抗和自由空間通信。

根據(jù)格里洛的說法，QCLs所涉及的物理原理與二極管激光器完全不同。“與二極管激光器相比，量子級聯(lián)激光器的優(yōu)勢在于傳導(dǎo)帶狀態(tài)(子帶)之間的亞皮秒電子躍移，以及比光子壽命短得多的載流子壽命，”格里洛說。他說，量子cls在光反饋下表現(xiàn)出完全不同的光發(fā)射行為，包括但不限于巨脈沖的出現(xiàn)、激光對調(diào)制的響應(yīng)以及頻率梳動力學(xué)。