We report the first observation of stochastic resonance in an optical device, the bidirectional ring laser. The experiment exploits a new technique to modulate periodically the asymmetry between the two counter-rotating lasing modes. The measurements verify that the addition of injected noise can lead to an improved signal-to-noise ratio (relative to that observed with no externally injected noise).

Recent experiments with chaotic electronic circuits have shown the possibility of communication with chaos. The experimental demonstration of chaotic communication with an optical system is described. An erbium-doped fiber ring laser (EDFRL) was used to produce chaotic light with a wavelength of 1.53 micrometers. A small 10-megahertz message was embedded in the larger chaotic carrier and transmitted to a receiver system where the message was recovered from the chaos. Chaotic optical waveforms can thus be used to communicate masked information at high bandwidths.

Spontaneous neuronal activity is a ubiquitous feature of cortex. Its spatiotemporal organization reflects past input and modulates future network output. Here we study whether a particular type of spontaneous activity is generated by a network that is optimized for input processing. Neuronal avalanches are a type of spontaneous activity observed in superficial cortical layers in vitro and in vivo with statistical properties expected from a network operating at “criticality.” Theory predicts that criticality and, therefore, neuronal avalanches are optimal for input processing, but until now, this has not been tested in experiments. Here, we use cortex slice cultures grown on planar microelectrode arrays to demonstrate that cortical networks that generate neuronal avalanches benefit from a maximized dynamic range, i.e., the ability to respond to the greatest range of stimuli. By changing the ratio of excitation and inhibition in the cultures, we derive a network tuning curve for stimulus processing as a function of distance from criticality in agreement with predictions from our simulations. Our findings suggest that in the cortex, (1) balanced excitation and inhibition establishes criticality, which maximizes the range of inputs that can be processed, and (2) spontaneous activity and input processing are unified in the context of critical phenomena.

The repertoire of neural activity patterns that a cortical network can produce constrains the ability of the network to transfer and process information. Here, we measured activity patterns obtained from multisite local field potential recordings in cortex cultures, urethane-anesthetized rats, and awake macaque monkeys. First, we quantified the information capacity of the pattern repertoire of ongoing and stimulus-evoked activity using Shannon entropy. Next, we quantified the efficacy of information transmission between stimulus and response using mutual information. By systematically changing the ratio of excitation/inhibition (E/I) in vitro and in a network model, we discovered that both information capacity and information transmission are maximized at a particular intermediate E/I, at which ongoing activity emerges as neuronal avalanches. Next, we used our in vitro and model results to correctly predict in vivo information capacity and interactions between neuronal groups during ongoing activity. Close agreement between our experiments and model suggest that neuronal avalanches and peak information capacity arise because of criticality and are general properties of cortical networks with balanced E/I.

In systems of oscillators, phase-locking behaviour can, in theory, coexist with incoherent dynamics—invoking the fabled chimera state. Now, experimental realization of a coupled-map lattice reveals dynamical states displaying coexisting spatial domains of coherence and incoherence. Networks of nonlocally coupled phase oscillators1 can support chimera states in which identical oscillators evolve into distinct groups that exhibit coexisting synchronous and incoherent behaviours despite homogeneous coupling2,3,4,5,6. Similar nonlocal coupling topologies implemented in networks of chaotic iterated maps also yield dynamical states exhibiting coexisting spatial domains of coherence and incoherence7,8. In these discrete-time systems, the phase is not a continuous variable, so these states are generalized chimeras with respect to a broader notion of incoherence. Chimeras continue to be the subject of intense theoretical investigation, but have yet to be realized experimentally6,9,10,11,12,13,14,15,16. Here we show that these chimeras can be realized in experiments using a liquid-crystal spatial light modulator to achieve optical nonlinearity in a spatially extended iterated map system. We study the coherence–incoherence transition that gives rise to these chimera states through experiment, theory and simulation.

A multimode, autonomously chaotic solid-state laser system has been controlled by the technique of occassional proportional feedback, related to the control scheme of Ott, Grebogi, and Yorke. We show that complex periodic wave forms can be stabilized in the laser output intensity. A detailed model of the system is not necessary. Our results indicate that this control technique may be widely applicable to autonomous, higher-dimensional chaotic systems, including globally coupled arrays of nonlinear oscillators.

Synchronization is of central importance in power distribution, telecommunication, neuronal, and biological networks. Many networks are observed to produce patterns of synchronized clusters, but it has been difficult to predict these clusters or understand the conditions under which they form, except for in the simplest of networks. In this article, we shed light on the intimate connection between network symmetry and cluster synchronization. We introduce general techniques that use network symmetries to reveal the patterns of synchronized clusters and determine the conditions under which they persist. The connection between symmetry and cluster synchronization is experimentally explored using an electro-optic network. We experimentally observe and theoretically predict a surprising phenomenon in which some clusters lose synchrony while leaving others synchronized. The results could guide the design of new power grid systems or lead to new understanding of the dynamical behavior of networks ranging from neural to social.

We report the observation of synchronization of the chaotic intensity fluctuations of two Nd:YAG lasers when one or both the lasers are driven chaotic by periodic modulation of their pump beams.Received 30 August 1993DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.2009©1994 American Physical Society

The normal procedure for numerical simulation of exponentially correlated colored noise is superseded by the novel algorithm presented here. A differential algorithm is replaced by an integral algorithm which is faster, more accurate, and permits the use of longer step sizes.