隨機共振 混沌轉(zhuǎn)移顯示在光機械微諧振器中

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)了一種在光機械微諧振系統(tǒng)中編碼混沌光的新途徑。

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

就像在著名的羅伯特弗羅斯特詩歌中一樣，混亂的道路在一個叫做分叉路線的分支中分散出一個噪音和分叉的世界。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 - 光機械微諧振器利用其內(nèi)部的噪聲來增強光信號，以便可以檢測到它們。

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

混沌 - 或者對初始條件的敏感性，理論上可以對復(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：通常是隨機的，無處不在的，用很少的工具來控制它。因此，大多數(shù)研究人員對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，它們實際上可以在弱光信號上編碼混沌，并在光輻射和機械振蕩或振動的幫助下進(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)送的單個光包或光子上編碼的，用于高性能傳感。

Yang和Özdemir在一個名為耳語廊模式諧振器(WGMR)的最先進(jìn)的微諧振器中操縱和調(diào)解光線，因為它的工作方式類似于倫敦圣保羅大教堂的著名耳語廊，其中一個人位于圓頂可以聽到另一方的另一個人在墻上說出的信息。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)時楊氏實驗室的博士生Faraz Monifi和清華大學(xué)的訪問研究員張靜使用了兩種激光器：一種1.5微米波長的控制器，稱為泵; WSMR中的探測器為980毫米，本身僅為60微米。

泵驅(qū)動操作并且非常強大，由數(shù)百萬個光子組成; 探頭非常脆弱，在沒有泵強制動作的情況下會在系統(tǒng)中衰弱。連續(xù)使用的泵在諧振器的壁上產(chǎn)生機械運動(振動)(泵浦光子的動量的變化觸發(fā)WGMR中的輻射力)，然后產(chǎn)生光學(xué)非線性，并且因為兩個光場在WGMR處于相同的非線性介質(zhì)中，物質(zhì)會逐漸升溫(光子帶有動量，它們的強度會促進(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)。

“在這項工作中，我們使用機械振動模式為混亂提供了一條新途徑，”楊說。“振蕩，稱為輻射引起的機械振動，介導(dǎo)光場。我們耦合了兩個相距很遠(yuǎn)的光場，一個是短波長的，另一個是長波長的。你會認(rèn)為他們不會彼此有任何關(guān)系，但他們會變得耦合，并采取相同的路徑來混亂。“

Özdemir說，在沒有隨機共振的幫助下，弱光探測信號將在光機械系統(tǒng)的輸出端未被檢測到。

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

Yang表示混亂常見于機械振蕩的光機械系統(tǒng)。

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

“我們想問的問題是，我們能否制造一個駕駛場非常弱的混亂系統(tǒng)?”Özdemir說。“光學(xué)機械諧振器中的弱光場無法做到這一點。但是，我們不是直接用弱場創(chuàng)造混亂，而是在強大的場地中創(chuàng)造混亂，泵，并將混亂轉(zhuǎn)移到弱場，即探測器。我們成功了。“

Yang，Özdemir及其合作者表示觀察到的隨機共振及其在光機械諧振器中產(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。混沌對初始條件的影響，用于改進(jìn)光機械系統(tǒng)中其他不可檢測的微弱信號的檢測，以及用于安全通信。