随机共振 混沌转移显示在光机械微谐振器中

圣路易斯华盛顿大学工程与应用科学学院的研究人员发现了一种在光机械微谐振系统中编码混沌光的新途径。

光机械微谐振器系统将光学和机械结合在一个非常小的区域，以研究受系统机械运动影响的光的性质和活动。

就像在着名的罗伯特弗罗斯特诗歌中一样，混乱的道路在一个叫做分叉路线的分支中分散出一个噪音和分叉的世界。光束在路上岔开，都沿着相同的路径走向混乱。与Frost设置不同 - 如此安静的人可以听到雪地 - 光机械微谐振器利用其内部的噪声来增强光信号，以便可以检测到它们。

这种所谓的随机(随机)共振的使用 - 系统对周期性脉冲或信号的响应借助于通常不需要的能量称为噪声 - 是光学机械系统中首次报告的这种现象的指示。

混沌 - 或者对初始条件的敏感性，理论上可以对复杂系统产生重大影响 - 自然界中的噪声与生命中出现的不良事件的发生方式相同：通常是随机的，无处不在的，用很少的工具来控制它。因此，大多数研究人员对二人组的看法并不奇怪。

然而，工程学院的Lan Yang，电气与系统工程的Edwin H.和Florence G. Skinner教授以及电气与系统工程研究副教授，中国和日本的合作者ŞahinK.Özdemir表明，它们实际上可以在弱光信号上编码混沌，并在光辐射和机械振荡或振动的帮助下进行。

发表于5月9日的Nature Photonics上的他们的发现可能对安全的光通信产生影响，其中信息是在空间或光纤发送的单个光包或光子上编码的，用于高性能传感。

Yang和Özdemir在一个名为耳语廊模式谐振器(WGMR)的最先进的微谐振器中操纵和调解光线，因为它的工作方式类似于伦敦圣保罗大教堂的着名耳语廊，其中一个人位于圆顶可以听到另一方的另一个人在墙上说出的信息。他们的设备做了很多相同的事情，光频率而不是可听见的频率。

当时杨氏实验室的博士生Faraz Monifi和中国清华大学的访问研究员张静使用了两种激光器：一种1.5微米波长的控制器，称为泵; WSMR中的探测器为980毫米，本身仅为60微米。

泵驱动操作并且非常强大，由数百万个光子组成; 探头非常脆弱，在没有泵强制动作的情况下会在系统中衰弱。连续使用的泵在谐振器的壁上产生机械运动(振动)(泵浦光子的动量的变化触发WGMR中的辐射力)，然后产生光学非线性，并且因为两个光场在WGMR处于相同的非线性介质中，物质会逐渐升温(光子带有动量，它们的强度会促进WGMR中的辐射)，并且它们开始相互影响。最终，在周期性爆发之后，泵和探针都沿着双管齐下的路径进入混乱状态。

“在这项工作中，我们使用机械振动模式为混乱提供了一条新途径，”杨说。“振荡，称为辐射引起的机械振动，介导光场。我们耦合了两个相距很远的光场，一个是短波长的，另一个是长波长的。你会认为他们不会彼此有任何关系，但他们会变得耦合，并采取相同的路径来混乱。“

Özdemir说，在没有随机共振的帮助下，弱光探测信号将在光机械系统的输出端未被检测到。

“对于随机共振，你需要一个系统中的三件事，”他说。“一个是非线性，另一个是随机噪声，第三个是周期性的输入信号，很难以观察到它。通过这种方式，您可以利用噪声来提高系统的信噪比，从而可以检测到非常微弱的信号。然而，存在最佳噪声水平，超过该水平，系统性能开始恶化。“

Yang表示混乱常见于机械振荡的光机械系统。

“我们带来这篇论文的新颖之处在于创造混乱的途径，”她说。“在光学机械系统中，没有人使用一个光束来使另一个光束沿着相同的路径走向混乱。”

“我们想问的问题是，我们能否制造一个驾驶场非常弱的混乱系统?”Özdemir说。“光学机械谐振器中的弱光场无法做到这一点。但是，我们不是直接用弱场创造混乱，而是在强大的场地中创造混乱，泵，并将混乱转移到弱场，即探测器。我们成功了。“

Yang，Özdemir及其合作者表示观察到的随机共振及其在光机械谐振器中产生，传递和控制混沌的能力不仅有助于理解非线性现象和混沌，而且还有可能开发利用灵敏度的光子器件。混沌对初始条件的影响，用于改进光机械系统中其他不可检测的微弱信号的检测，以及用于安全通信。

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