Information optique : Communication & Calcul

Nous préparons les nouvelles révolutions scientifiques et technologiques dans le traitement de l’information. Ces révolutions utiliseront la photonique comme système physique de support de l’information, mais aussi exploiteront pour de nouvelles formes de calcul la richesse de la dynamique non-linéaire de systèmes photoniques. L’exemple le plus étudié pour exploiter la complexité et la richesse de la dynamique non-linéaire en photonique est celui d’une diode laser, telle que largement utilisée dans nos systèmes de communication par fibres optiques, nos lecteurs CD, nos systèmes de capteurs et d’imagerie.

Un laser à semi-conducteurs se comporte dynamiquement comme un oscillateur non-linéaire amorti, c’est-à-dire qu’une modification de ses conditions de fonctionnement (température, courant, pompage optique) conduit éventuellement en une dynamique transitoire oscillante et amortie vers un état stationnaire (puissance constante). Ces oscillations dites « oscillations de relaxation » sont la manifestation d’une compétition entre la population de photons et la population de porteurs de charge qui en se recombinant créent des photons.

En présence d’une rétroaction optique (réflexion d’une partie de la lumière émise), d’une injection optique ou d’une forte modulation du courant d’injection, ces oscillations de relaxation peuvent devenir non amorties et la diode laser se transforme en un oscillateur autonome à une fréquence de l’ordre du GHz. En fonction de ces degrés de liberté externes, on observe également des bifurcations vers des états dynamiques complexes, notamment des routes par doublement de période, quasi-périodicité ou intermittence conduisant au chaos optique. La puissance de sortie de la diode laser oscille dans le temps de façon irrégulière et non prédictible, et ce comportement dynamique est directement la manifestation de la nature essentiellement non-linéaire du mécanisme de couplage photons-porteurs de charge.

Nos sources lasers sont des lasers à semi-conducteurs conventionnels émettant par le côté mais aussi des sources lasers dites à cavité verticale (VCSEL), à boîtes quantiques (QDOT) ou à cascades quantiques (QCL). Les diodes lasers de type QDOT ou QCL sont particulièrement intéressantes car leurs paramètres physiques leur confèrent à priori une grande stabilité dynamique. Nous avons contribué récemment à la première observation de chaos temporel dans une diode laser de type QCL, ce qui nous permet d’envisager des applications du chaos optique dans le domaine spectral du moyen infra-rouge. Les diodes laser de type VCSEL présentent quant à elles une instabilité de la polarisation de la lumière émise qui, lorsqu’elle est maîtrisée, permet d’envisager des applications nouvelles de commutation optique rapide ou de chaos vectoriel (la phase de l’onde optique possède des propriétés chaotiques alors que la puissance totale émise par le laser est stationnaire).

Notre étude vise à étudier théoriquement et expérimentalement la richesse de la dynamique non-linéaire d’un laser à semi-conducteurs, et d’isoler ces dynamiques qui seront porteuses d’applications nouvelles et d’innovations.

Par exemple, nous étudions comment la dynamique non-linéaire d’une diode laser ou plus généralement d’un système photonique peut être exploitée pour réaliser des fonctions de calcul neuromorphique à haut débit. Dans le cadre du projet européen PHRESCO (lien web) nous étudions ainsi un système formé de microrésonateurs sur silicium pour réaliser des fonctions de reconnaissance de forme, de prédiction de séries temporelles ou de classification de données. Un autre exemple est l’application de la dynamique non-linéaire de lasers à la génération tout optique de nombres aléatoires à très haut débit.

Enfin, ces dynamiques non-linéaires traduisent également des analogies fortes avec celles observées dans d’autres systèmes physiques. Par exemple l’analyse statistique de l’émission laser montre des séquences d’impulsions d’intensité extrême, c’est-à-dire significativement élevée par rapport au niveau moyen de l’émission laser. Ces événements extrêmes possèdent des propriétés statistiques proches de celles des ondes scélérates (rogue wave) en hydrodynamique. Nous avons observé pour la première fois des événements extrêmes dans l’émission d’un laser avec rétroaction optique et très récemment observé pour la première fois des événements extrêmes vectoriels dans la dynamique de polarisation d’un laser VCSEL.