隨機(jī)共振 混沌轉(zhuǎn)移顯示在光機(jī)械微諧振器中

圣路易斯華盛頓大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種在光機(jī)械微諧振系統(tǒng)中編碼混沌光的新途徑。

光機(jī)械微諧振器系統(tǒng)將光學(xué)和機(jī)械結(jié)合在一個(gè)非常小的區(qū)域，以研究受系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)影響的光的性質(zhì)和活動(dòng)。

就像在著名的羅伯特弗羅斯特詩(shī)歌中一樣，混亂的道路在一個(gè)叫做分叉路線的分支中分散出一個(gè)噪音和分叉的世界。光束在路上岔開，都沿著相同的路徑走向混亂。與Frost設(shè)置不同 - 如此安靜的人可以聽到雪地 - 光機(jī)械微諧振器利用其內(nèi)部的噪聲來(lái)增強(qiáng)光信號(hào)，以便可以檢測(cè)到它們。

這種所謂的隨機(jī)(隨機(jī))共振的使用 - 系統(tǒng)對(duì)周期性脈沖或信號(hào)的響應(yīng)借助于通常不需要的能量稱為噪聲 - 是光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)中首次報(bào)告的這種現(xiàn)象的指示。

混沌 - 或者對(duì)初始條件的敏感性，理論上可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響 - 自然界中的噪聲與生命中出現(xiàn)的不良事件的發(fā)生方式相同：通常是隨機(jī)的，無(wú)處不在的，用很少的工具來(lái)控制它。因此，大多數(shù)研究人員對(duì)二人組的看法并不奇怪。

然而，工程學(xué)院的Lan Yang，電氣與系統(tǒng)工程的Edwin H.和Florence G. Skinner教授以及電氣與系統(tǒng)工程研究副教授，和的合作者?ahinK.Özdemir表明，它們實(shí)際上可以在弱光信號(hào)上編碼混沌，并在光輻射和機(jī)械振蕩或振動(dòng)的幫助下進(jìn)行。

發(fā)表于5月9日的Nature Photonics上的他們的發(fā)現(xiàn)可能對(duì)安全的光通信產(chǎn)生影響，其中信息是在空間或光纖發(fā)送的單個(gè)光包或光子上編碼的，用于高性能傳感。

Yang和Özdemir在一個(gè)名為耳語(yǔ)廊模式諧振器(WGMR)的最先進(jìn)的微諧振器中操縱和調(diào)解光線，因?yàn)樗墓ぷ鞣绞筋愃朴趥惗厥ケＡ_大教堂的著名耳語(yǔ)廊，其中一個(gè)人位于圓頂可以聽到另一方的另一個(gè)人在墻上說(shuō)出的信息。他們的設(shè)備做了很多相同的事情，光頻率而不是可聽見的頻率。

當(dāng)時(shí)楊氏實(shí)驗(yàn)室的博士生Faraz Monifi和清華大學(xué)的訪問(wèn)研究員張靜使用了兩種激光器：一種1.5微米波長(zhǎng)的控制器，稱為泵; WSMR中的探測(cè)器為980毫米，本身僅為60微米。

泵驅(qū)動(dòng)操作并且非常強(qiáng)大，由數(shù)百萬(wàn)個(gè)光子組成; 探頭非常脆弱，在沒有泵強(qiáng)制動(dòng)作的情況下會(huì)在系統(tǒng)中衰弱。連續(xù)使用的泵在諧振器的壁上產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))(泵浦光子的動(dòng)量的變化觸發(fā)WGMR中的輻射力)，然后產(chǎn)生光學(xué)非線性，并且因?yàn)閮蓚€(gè)光場(chǎng)在WGMR處于相同的非線性介質(zhì)中，物質(zhì)會(huì)逐漸升溫(光子帶有動(dòng)量，它們的強(qiáng)度會(huì)促進(jìn)WGMR中的輻射)，并且它們開始相互影響。最終，在周期性爆發(fā)之后，泵和探針都沿著雙管齊下的路徑進(jìn)入混亂狀態(tài)。

“在這項(xiàng)工作中，我們使用機(jī)械振動(dòng)模式為混亂提供了一條新途徑，”楊說(shuō)。“振蕩，稱為輻射引起的機(jī)械振動(dòng)，介導(dǎo)光場(chǎng)。我們耦合了兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的光場(chǎng)，一個(gè)是短波長(zhǎng)的，另一個(gè)是長(zhǎng)波長(zhǎng)的。你會(huì)認(rèn)為他們不會(huì)彼此有任何關(guān)系，但他們會(huì)變得耦合，并采取相同的路徑來(lái)混亂。“

Özdemir說(shuō)，在沒有隨機(jī)共振的幫助下，弱光探測(cè)信號(hào)將在光機(jī)械系統(tǒng)的輸出端未被檢測(cè)到。

“對(duì)于隨機(jī)共振，你需要一個(gè)系統(tǒng)中的三件事，”他說(shuō)。“一個(gè)是非線性，另一個(gè)是隨機(jī)噪聲，第三個(gè)是周期性的輸入信號(hào)，很難以觀察到它。通過(guò)這種方式，您可以利用噪聲來(lái)提高系統(tǒng)的信噪比，從而可以檢測(cè)到非常微弱的信號(hào)。然而，存在最佳噪聲水平，超過(guò)該水平，系統(tǒng)性能開始惡化。“

Yang表示混亂常見于機(jī)械振蕩的光機(jī)械系統(tǒng)。

“我們帶來(lái)這篇論文的新穎之處在于創(chuàng)造混亂的途徑，”她說(shuō)。“在光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)中，沒有人使用一個(gè)光束來(lái)使另一個(gè)光束沿著相同的路徑走向混亂。”

“我們想問(wèn)的問(wèn)題是，我們能否制造一個(gè)駕駛場(chǎng)非常弱的混亂系統(tǒng)?”Özdemir說(shuō)。“光學(xué)機(jī)械諧振器中的弱光場(chǎng)無(wú)法做到這一點(diǎn)。但是，我們不是直接用弱場(chǎng)創(chuàng)造混亂，而是在強(qiáng)大的場(chǎng)地中創(chuàng)造混亂，泵，并將混亂轉(zhuǎn)移到弱場(chǎng)，即探測(cè)器。我們成功了。“

Yang，Özdemir及其合作者表示觀察到的隨機(jī)共振及其在光機(jī)械諧振器中產(chǎn)生，傳遞和控制混沌的能力不僅有助于理解非線性現(xiàn)象和混沌，而且還有可能開發(fā)利用靈敏度的光子器件?；煦鐚?duì)初始條件的影響，用于改進(jìn)光機(jī)械系統(tǒng)中其他不可檢測(cè)的微弱信號(hào)的檢測(cè)，以及用于安全通信。