Une école de l'Université de Lorraine

Photonique non linéaire

Photonique non linéaire

Cette étude s’intéresse au comportement dynamique spatial et temporel de faisceaux lasers et plus particulièrement aux conditions qui peuvent conduire à des dynamiques non-linéaires : auto-organisation, comportement périodique auto-entretenu, chaos, etc. Ces dynamiques non-linéaires dans le temps et/ou l’espace peuvent conduire à de nouvelles applications dans le traitement tout optique de l’information : génération tout optique de signaux électriques rapides, commutation et routage optique, cryptographie par chaos, stockage optique. Ce thème de recherche est étudié dans deux configurations, comme explicité ci-dessous.

Les partenaires principaux sur cette thématique sont : Vrije Universiteit (VUB), Bruxelles (Belgique) ; Université Libre (ULB), Bruxelles ; Instituto de Fisica de Cantabria (Espagne) ; Saitama University (Japon) ; ANU, Canberra (Australie), UMI CNRS-2958 et Georgia Institute of Technology (USA) ; Technische Universität (TU) Berlin (Allemagne).

Dynamique non-linéaire temporelle dans l’émission de diodes lasers ou lasers à semi-conducteurs

Le comportement dynamique classique d’un laser à semi-conducteur est celui d’un oscillateur non-linéaire amorti, c’est-à-dire que toute modification du courant électrique qui alimente la structure laser conduit à l’établissement d’un nouveau niveau de puissance optique en sortie laser après éventuellement un transitoire où la puissance optique oscille et s’amortit vers son nouvel état. Cependant, en présence par exemple d’une rétroaction optique d’une partie de la lumière émise, ou encore d’une injection optique ou d’une forte modulation du courant d’injection, ces oscillations transitoires de la puissance émise deviennent non amorties et le laser présente une oscillation permanente de sa puissance optique émise. Cette oscillation permanente peut être régulière mais aussi chaotique, selon les conditions expérimentales. Certaines structures lasers nouvelles par exemple les lasers VCSELs (vertical-cavity surface-emitting lasers) présentent des dynamiques encore plus riches et complexes compte tenu de la compétition naturelle dans ce laser entre deux états de polarisation de la lumière émise. Notre objectif est de contribuer à cette étude de dynamique non-linéaire de lasers à semi-conducteurs en répertoriant de nouvelles dynamiques et mécanismes de génération de chaos optique et signaux pulsés rapides. Nous étudions plus particulièrement les lasers dits VCSELs (lasers à cavité verticale émettant par la surface) qui restent peu étudiés du point de vue dynamique et présentent de nombreux avantages leur permettant de remplacer progressivement les lasers conventionnels à semi-conducteurs. Par ailleurs nous étudions également de nouvelles structures de lasers incluant des boîtes quantiques dans le milieu de gain optique. Ces lasers à boîtes quantiques présentent des propriétés particulières de saturation de gain, d’émission multimode, et de faible couplage phase-amplitude, qui les rendent très intéressants pour des études fondamentales de dynamique non-linéaire.

Auto-organisation de la lumière et formation de patterns optiques dans les systèmes à cavité photoréfractive

De la même façon que les dynamiques régulières pulsées de lasers à semi-conducteurs sont des formes d’ordre temporel d’un système photonique, il est particulièrement intéressant d’étudier de façon plus générale la formation d’ordre spatial et temporel dans un système photonique étendu. La possibilité de former spontanément une structure spatiale régulière (pattern) à partir d’un état spatial homogène a été initialement introduite par A. Turing. Une perturbation faible de bruit dans un milieu présentant non-linéarité et diffraction ou diffusion conduit un état homogène à se déstabiliser vers un état spatial périodique dans des directions privilégiées conduisant à la formation de rubans ou hexagones. Ce mécanisme dit d’instabilité modulationnelle et conduisant à la formation de structures spatiales auto-organisées a été depuis démontré expérimentalement dans de nombreux systèmes photoniques comportant comme milieu optique non-linéaire des vapeurs atomiques, cristaux liquides, films organiques ou encore matériaux photoréfractifs. Parmi les configurations les plus étudiées actuellement pour la formation de patterns nous pouvons citer les systèmes optiques non-linéaires en cavité optique ou soumis à une rétroaction optique. L’intérêt se porte également dans la formation de solitons spatiaux de cavité ou structures localisées de lumière dans ces systèmes dits dissipatifs ou non-conservatifs. Ces solitons de cavité peuvent être considérés comme des éléments discrets pour le traitement parallèle et tout-optique de l’information ou peuvent être utiles pour la réalisation de mémoires optiques. Des questions importantes se posent néanmoins sur les mécanismes physiques qui conduisent à la génération de ces solitons de cavité et sur les méthodes de contrôle et adressage de ces solitons de cavité.  C’est dans ce contexte que nous étudions plus spécifiquement un système constitué d’un cristal photoréfractif en cavité et éclairé par un faisceau laser large. Nous étudions la formation d’un pattern optique mais avant tout la possibilité de contrôler le pattern obtenu par des techniques tout optiques : compétition entre instabilité de modulation et effet de bande photonique interdite, dérive et gradient transverse par désalignement du miroir de rétroaction optique.

Résultats significatifs

Exemple

"Bifurcation to polarization switching and  locking in vertical-cavity surface-emitting lasers with optical injection", Gatare I., Sciamanna M., Nizette M., Panajotov K., Physical Review A: Atomic, Molecular and  Optical Physics, 76 031803(R)-1-4 (2007).

Les lasers VCSELs présentent une dynamique de polarisation de la lumière émise riche et complexe. L’injection optique de lumière par un second laser permet de contrôler l’état de polarisation de la lumière émise par le VCSEL et de stimuler un basculement de polarisation avec bistabilité. En fonction des paramètres de l’injection optique (désaccord en fréquence, puissance injectée), le VCSEL injecté peut également présenter des dynamiques complexes et non-linéaires : auto-pulsation, chaos. Cet article résume les scénarios de bifurcation d’un VCSEL avec injection optique, et présente une étude théorique en parfait accord avec nos observations expérimentales. La présence d’une compétition entre deux états de polarisation linéaires et orthogonaux, telle que couramment rapportée dans les lasers VCSELs, modifie les bifurcations déstabilisant la solution de blocage par injection et donc crée de nouveaux scénarios dans l’émergence de dynamiques non-linéaires et chaos d’un système laser. Il s’agit par ailleurs de la première étude théorique d’un laser multi(bi)mode en présence d’injection optique.