信息学院王成课题组开发出中红外超混沌激光源

信息学院王成课题组成功开发出中红外波段宽带超混沌激光源。近日，该成果以 “Mid-infrared hyperchaos of interband cascade lasers”为题在Nature旗下期刊Light：Science & Applications上发表。Light: Science & Applications由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所于2012年创办，2013年被SCI收录，创刊以来发表了多项重要原创成果，对光学及其交叉领域产生了深远影响，是公认最顶尖的国际光学期刊之一。

混沌是自然界普遍存在的现象，是确定性动力学系统产生的类似随机过程的无序性行为。大气就是一个典型的混沌系统，1963年由美国气象学家洛伦兹发现，并通过“蝴蝶效应”一词为大众熟知。

半导体激光器在特定条件下能够产生激光混沌，即激光输出在时域上表现为随机的无序行为。激光混沌在保密光通信、高速真随机数产生和激光雷达领域有重要的应用价值。近年来，激光混沌开始被应用于（储备池）光计算领域，并有望推动人工智能的发展。然而，目前半导体激光器产生的混沌大都处于近红外波段，限制了其在中红外和其他波段的应用。

王成课题组长期致力于中红外波段带间级联激光器的研究。课题组通过对带间级联激光器施加合适的外部控制条件，成功开发出中红外宽带超混沌光源（图一）。通过Lyapunov谱线分析发现该混沌源具有三个正值的Lyapunov指数，即其为超混沌（hyperchaos），超混沌具有高维的复杂性和不可预测性。通过频域分析表明该混沌源的特征频率高达吉赫兹的量级（图二），意味着其能够高速处理和传输信息。由于大气在中红外波段存在低损耗的通信窗口（3至5微米，8至12微米），未来中红外激光混沌在自由空间保密光通信以及远程混沌激光雷达等诸多领域具有极大的应用前景。

上海科技大学为该研究成果的第一完成单位，博士生邓禹和博士生赵彬彬完成了该论文的实验工作，硕士生范卓菲和博士生王星光完成了理论工作，王成教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金的支持。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41377-021-00697-1