Les événements extrêmes se produisent dans de nombreux contextes observables. La nature est une source prolifique :des vagues d'eau voyous déferlent au-dessus de la houle, pluies de mousson, incendies, etc. De la climatologie à l'optique, les physiciens ont classé les caractéristiques des événements extrêmes, étendre la notion à leurs domaines d'expertise respectifs. Par exemple, des événements extrêmes peuvent se produire dans les flux de données de télécommunication. Dans les communications par fibre optique où un grand nombre de fluctuations spatio-temporelles peuvent se produire dans les systèmes transocéaniques, une surtension soudaine est un événement extrême qui doit être supprimé, car il peut potentiellement altérer les composants associés à la couche physique ou perturber la transmission de messages privés.

Récemment, des événements extrêmes ont été observés dans des lasers à cascade quantique, tel que rapporté par des chercheurs de Télécom Paris (France) en collaboration avec UCLA (USA) et TU Darmstad (Allemagne). Les impulsions géantes qui caractérisent ces événements extrêmes peuvent contribuer à la soudaine, éclats aigus nécessaires à la communication dans les systèmes neuromorphiques inspirés par les puissantes capacités de calcul du cerveau. Basé sur un laser à cascade quantique (QCL) émettant de la lumière infrarouge moyen, les chercheurs ont développé un système de neurones optiques de base fonctionnant 10, 000 fois plus rapide que les neurones biologiques. Leur rapport est publié dans Photonique avancée .

Légumineuses géantes, réglage fin

Olivier Spitz, Chargé de recherche à Télécom Paris et premier auteur de l'article, note que les impulsions géantes dans les QCL peuvent être déclenchées avec succès en ajoutant une "excitation d'impulsion, " une augmentation de courte durée de faible amplitude du courant de polarisation. Auteur principal Frédéric Grillot, Professeur à Télécom Paris et à l'Université du Nouveau-Mexique, explique que cette capacité de déclenchement est d'une importance primordiale pour des applications telles que les systèmes optiques de type neurone, qui nécessitent le déclenchement de salves optiques en réponse à une perturbation.

Le système de neurones optiques de l'équipe démontre des comportements similaires à ceux observés dans les neurones biologiques, comme le seuillage, impulsion phasique, et des pointes toniques. Le réglage fin de la modulation et de la fréquence permet de contrôler les intervalles de temps entre les pointes. Grillot explique, "Le système neuromorphique nécessite une forte, stimulus de super-seuil pour que le système déclenche une réponse de pointe, tandis que les pics phasiques et toniques correspondent à des tirs de pics uniques ou continus suite à l'arrivée d'un stimulus. » Pour reproduire les différentes réponses neuronales biologiques, l'interruption de successions régulières de salves correspondant à l'activité neuronale est également requise.

Laser à cascade quantique

Grillot note que les résultats rapportés par son équipe démontrent le potentiel de plus en plus supérieur des lasers à cascade quantique par rapport aux lasers à diodes standard ou VCSEL, pour lesquels des techniques plus complexes sont actuellement nécessaires pour obtenir des propriétés neuromorphiques.

Démontré expérimentalement pour la première fois en 1994, les lasers à cascade quantique ont été développés à l'origine pour une utilisation à des températures cryogéniques. Leur développement a progressé rapidement, permettant une utilisation à des températures plus chaudes, jusqu'à la température ambiante. En raison du grand nombre de longueurs d'onde qu'ils peuvent atteindre (de 3 à 300 microns), Les QCL contribuent à de nombreuses applications industrielles telles que la spectroscopie, contre-mesures optiques, et les communications en espace libre.

Selon Grillot, la physique impliquée dans les QCL est totalement différente de celle des lasers à diodes. « L'avantage des lasers à cascade quantique par rapport aux lasers à diodes provient des transitions électroniques sub-picosecondes entre les états de la bande de conduction (sous-bandes) et d'une durée de vie du porteur beaucoup plus courte que la durée de vie du photon, " dit Grillot. Il remarque que les QCL présentent des comportements d'émission de lumière complètement différents sous rétroaction optique, y compris, mais sans s'y limiter, les occurrences d'impulsions géantes, réponses laser à la modulation, et la dynamique du peigne de fréquence.