Ensembles de solitons dissipatifs en cavité laser : comportements collectifs, transitions de phases et application à la génération d’impulsions optiques haute cadence – SOLICRISTAL

L’étude des comportements collectifs de grands ensembles de solitons dissipatifs est un sujet de recherche fondamentale potentiellement fascinant, qui se trouve encore largement inexploré. Nous proposons de lancer cette étude en conjuguant les approches expérimentales, théoriques et numériques, dans le contexte de l’optique non-linéaire. Nous visons à établir des analogies porteuses entre ces comportements collectifs et les états de la matière, ainsi que les transitions de phase qui peuvent s’y dérouler en fonction de l’évolution des paramètres du système. Au niveau expérimental, notre prendrons appui sur les états et les dynamiques qui peuvent être observés au moyen de lasers à fibres optiques à modes bloqués fonctionnant en régime fortement multi-impulsionnel, un domaine pour lequel les partenaires de ce projet possèdent des expertises complémentaires. L’un des objectifs majeurs consistera à établir les conditions dans lesquelles peuvent se former de grands « cristaux » de solitons, structures où les solitons dissipatifs sont liés de manière stable les uns aux autres, avec une séparation stable et constante entre plus proches voisins, ainsi qu’une relation de phase déterminée. Cette tâche fondamentale, de grande ampleur, sera menée par les deux partenaires académiques, l’ICB à Dijon et le LPA à Angers.
Nous prendrons appui sur cette partie fondamentale pour développer deux catégories de sources laser impulsionnelles à haut taux de répétition et forte puissance de sortie, qui fonctionneraient dans des gammes de fréquences complémentaires, à savoir typiquement de 10 à 100 GHz pour la première, et de 100 GHz à 1 THz pour la seconde. De tels taux de répétition devraient être obtenus sans le recours à de complexes et dispendieux modulateurs électro-optiques ultra-rapides – qui sont actuellement inopérants au-dessus de 80 GHz. Naturellement, le développement de ces sources sera couplé à des modélisations théoriques (modèles de propagation développés et modèles de champ moyen via notamment des approches multi-échelles) et aux simulations numériques correspondantes.
La première catégorie de source sera principalement fondée sur l’extrapolation à des puissances importantes, jusqu’à une dizaine de watts, de résultats préliminaires ainsi que des résultats obtenus dans la partie la plus fondamentale du projet, afin de réaliser au LPA le design approprié de la cavité et des conditions de pompage permettant le remplissage de l’intégralité de la cavité par un « cristal » macroscopique de solitons dissipatifs, produisant ainsi un taux de répétition stable déterminé par les interactions non-linéaires entre solitons.
La seconde catégorie de source concernera l’obtention d’ultra-hauts taux de répétition, dans la gamme 100 GHz à 1 THz, et sera fondée sur l’emploi d’un mécanisme non-linéaire appelé instabilité de modulation, ainsi que par la stabilisation du régime impulsionnel au moyen de processus non-linéaires dissipatifs. La source sera conçue et mise au point à l’ICB, en raison l'expertise existant à Dijon autour de l’instabilité de modulation et des cavités lasers à modes bloqués. Le savoir-faire du LPA concernant l’utilisation de technologies fibrées de haute puissance sera également mis à contribution. Nous porterons une attention particulière au design d’une cavité laser employant l’instabilité de modulation « vectorielle ». Cette stratégie, qui n’a pour l’instant jamais été testée en cavité laser, est susceptible de fournir une stabilisation accrue du taux de répétition, stabilité faisant défaut dans les quelques lasers à fibre à haut taux de répétition testés à ce jour.

L’ensemble de notre projet représente un programme de recherches ambitieux, combinant le défrichement d’un nouveau pan de la physique des solitons, la physique des lasers à fibre et le développement de nouveaux types de sources laser qui pourraient trouver des applications dans les domaines des communications, des capteurs et de la métrologie optiques.