Balles de Lumière dans les Lasers à Semi-conducteurs – BLASON

Le point de départ de ce projet sont les résultats déjà obtenus par notre groupe dans les VCSEL à grande superficie en termes de LS spatiales et, plus récemment, en termes de LS temporelles. Les deux résultats ont été obtenus dans des schémas expérimentaux similaires, à savoir un VCSEL couplé à un absorbant saturable. L'analyse théorique révèle que la localisation temporelle serait possible dans ces mêmes conditions de couplage, à condition que les paramètres du VECSEL puissent être correctement réglés. Nous concevrons, développerons et optimiserons des échantillons à gain et des SESAM afin de répondre à ces exigences. Ainsi, la réalisation expérimentale de LB nécessite de surmonter plusieurs barrières qui sont aujourd'hui bien identifiées. La première barrière est liée au fait que les conditions en termes de rapport d'aspect pour la localisation temporelle peuvent sembler incompatibles à celles requises pour la localisation spatiale. Alors que la première nécessite un résonateur étendu longitudinalement (aller-retour >> temps de récupération du gain), la deuxième nécessite une cavité courte (et une section large) pour assurer un grand nombre de Fresnel. La contradiction sera résolue en considérant des VECSEL où le SESAM est couplé à la section de gain dans une configuration auto imageante. La deuxième barrière concerne les pertes optiques maximale qu'un VECSEL peut tolérer. Ce problème sera résolu par une conception appropriée des échantillons en termes d'effets de microcavité et de gain disponible. La troisième barrière concerne le pompage de la section à gain qui doit être homogène sur une taille suffisamment grande pour permettre la coexistence de plusieurs LS au risque d’un problème de management thermique. Enfin, il faudra explorer la plage de paramètres où les LS existent en jouant, en particulier, avec la profondeur de modulation SESAM, le rapport entre l'énergie de saturation du gain et de l'absorbeur, ainsi que leurs temps de récupération.

RÉSULTATS MARQUANTS OBTENUS DANS LES PREMIERS 18 MOIS

1) Nous avons obtenu des structures spatiales complexes (modes de Fourier) localisées temporellement. Ce résultat préliminaire est très prometteur en vue d'obtenir des LB car il montre que les modes non linéaires peuvent être localisés temporellement. La détection spatialement résolue révèle que chaque point de l'espace émets de manière synchrone et aucune décorrélation spontanée n'a été observée jusqu'à présent. Un article sera publié prochainement sur cette observation.
2) Nous avons caractérisé le profil transverse d'un VECSEL en configuration auto imageante à émission stationnaire (sans absorbant) lorsqu'une large section (> 50 µm) est pompée. Cette expérience a révélé, pour la première fois, le rôle des flaques de gain (spots de quelques microns à gain différent) générés lors du processus de croissance. Une conférence invitée a été présentée à Photonics West en 2020 et un article sera soumis prochainement.
3) Le rôle de la dispersion du 3ème ordre sur la dynamique des structures temporelles localisées a été analysé et publié en collaboration avec des théoriciens (partenaires externes) dans Phys. Rev. Lett.
4) Un modèle dynamique théorique complet basé sur l'équation de Schrödinger non linéaire et l'équation de Bloch pour l'interaction ondes-matière a été mis en œuvre en collaboration avec des théoriciens (partenaires externes). Cette analyse permettra d'intégrer toutes les caractéristiques expérimentales du système optique dans une prochaine étude théorique. En parallèle, une étude numérique basée sur le tracer de rayons (ZEMAX réalisé par INNOPTICS) a permis de révéler les limites des optiques commerciales utilisées dans le montage expérimental (aberrations, désalignement, etc).

La consommation de données devrait atteindre bientôt des zettaoctets de trafic à l'intérieur et/ou entre les centres de données et de plus en plus de dispositifs hautement performants pour le codage et le traitement des informations sont nécessaires. Bien que les dispositifs actuellement utilisés soient basés sur une technologie électronique pure ou sur une technologie optoélectronique hybride, les appareils tout-optiques sont considérés comme des solutions prometteuses pour augmenter considérablement la bande passante des télécommunications dans un avenir proche, pour améliorer la consommation d'énergie et la latence. L'ambition de ce projet est de réaliser une mémoire tampon prototypique capable d'inspirer une nouvelle génération d'appareils répondant aux besoins futurs en termes de trafic de données de notre société. Notre projet est donc orienté résolument vers le défi Société de l'information et de la communication. Nous pensons que la mise en œuvre de LB dans les dispositifs à semi-conducteurs sera une technologie de rupture pour le traitement de l'information, car les LB permettrons d'atteindre une bande passante THz. De plus, les LB dissipatives présentent des propriétés qui simplifient considérablement leur utilisation en tant que bits d'information. Les LB peuvent être adressées individuellement par des impulsions optiques et elles permettent une régénération fiable du train de bits. Le flux des LB peut être facilement reconfiguré et retardé dans le temps en appliquant une perturbation externe.
En plus du traitement de l'information, les LB peuvent être très intéressantes pour toutes les applications qui requièrent la génération d’une séquence arbitraire d’impulsions laser picosecondes à un faible taux de répétition. Ces applications comprennent la spectroscopie à résolution temporelle, la caractérisation pompe-sonde des propriétés des matériaux, la génération de peignes de fréquence, les systèmes à accès multiple à division dans le temps et le LIDAR.

Novembre '18-Septembre '20
1. C. Schelte, P. Camelin, M. Marconi, A. Garnache ,G. Huyet, G. Beaudoin, I. Sagnes, M. Giudici, J. Javaloyes and S. V. Gurevich, Third order dispersion in time-delayed systems,) Phys. Rev. Lett. 123, 043902 (2019)
2. Nathan Vigne, Adrian Bartolo, Grégoire Beaudoin, Julien Javaloyes, Svetlana V. Gurevich, Mathias Marconi, Isabelle Sagnes, Mikhaël Myara, Massimo Giudici, and Arnaud Garnache «Spatially modeless semiconductor laser cavity for the generation of spatio-temporal localized structures« Proc. SPIE 11263, Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) X, 112630K (2 March 2020)
3. M. Marconi, C. Metayer, A. Acquaviva, J.M. Boyer, A. Gomel, T. Quiniou, C. Masoller, M. Giudici, and J.R. Tredicce. Testing critical slowing down as a bifurcation indicator in a low-dissipation dynamical system, Accepted in Phys. Rev. Lett
4. J. Woods, D. Heath, J. Daykin, T. Chen Sverre, B. Keenyliside, B. Mills, I. Sagnes, G. Beaudoin, S. Blin, A. Garnache, A. Tropper, V. Apostolopulos, Semiconductor disk laser in bi-frequency operation by laser ablation micromachining of a laser mirror , Optics Express Vol. 27, Issue 16, pp. 22316-22326 (2019)

Les technologies de communication sont en quête constante de dispositifs de plus en plus performants pour le codage et la manipulation de l’information. A cet égard l’utilisation des solitons optiques comme bits d’information apparait prometteuse, surtout si implémentée dans des dispositifs rapides, compacts et économiques comme les lasers à semi-conducteurs. En particulier, l’utilisation des "balles de lumière" (BL) où la lumière serait localisée dans les trois dimensions de l’espace, promet des performances révolutionnaires en termes de débit, résilience et agilité. L’objectif de ce projet est de concevoir, réaliser et étudier des dispositifs à semi-conducteurs pour la génération et le contrôle des BL dissipatives. Pour cela nous utiliserons des lasers à cavité verticale à émission surfacique (VECSEL) couplés en cavité externe avec un miroir à absorption saturable (SESAM). Ces dispositifs seront fabriqués dans le cadre de ce projet afin de répondre aux conditions paramétriques favorables à l'existence des BL. Une fois ces structures obtenues et caractérisées, nous les utiliserons pour réaliser une mémoire tampon tout-optique tridimensionnelle.
Les BL ont été activement recherchées dans les systèmes conservatifs depuis les travaux pionniers de Silberberg au début des années '90. La propagation d'une impulsion optique dans un milieu où la diffraction et la dispersion de la vitesse de groupe (GVD) seraient simultanément compensées par une non linéarité est très instable et, en dépit des efforts produits, il est impossible d’éviter que l'impulsion s’étale ou collapse.
L'originalité de notre approche consiste à proposer d’implémenter les BL dans un système dissipatif où elles apparaîtront comme des solutions stables sur une large plage de conditions initiales et de paramètres de contrôle. De plus, dans un système fortement dissipatif, les BL présentent la propriété de pouvoir être adressées individuellement par une perturbation externe et utilisées ainsi comme des bits d'information. Plus précisément, les BL que nous ciblons dans ce projet sont des « Structures Localisées » (SL) spatio-temporelles. Les SL ont été observées dans la section transversale (SL spatiales) et dans la direction longitudinale des résonateurs optiques (SL temporelles). Plusieurs expériences ont déjà révélé le potentiel applicatif de ces structures pour le traitement de l'information, surtout lorsque les SL sont implémentées dans des milieux rapides et scalable comme les dispositifs à semi-conducteurs. Les BL que nous obtiendrons permettront de réaliser un mémoire tampon tout-optique tridimensionnelle dans la cavité externe du VECSEL. Si la taille de la section transversale du VECSEL permet de placer un réseau de bits spatiaux NXN et la dimension de la cavité longitudinale permet de placer M bits, on pourra stocker MXNXN bits dans un seul dispositif. Les performances obtenues dans des expériences passées avec les lasers à semi-conducteurs conduisent à une estimation de séquences de 5 Kbit stockées dans la cavité et un débit binaire d'écriture / lecture de 100 GS /s.
Au-delà du traitement de l’information, les BL sont très intéressants pour d'autres applications où des impulsions laser picosecondes sont demandées à des taux de répétition arbitrairement faible et selon une séquence spatio-temporelle arbitraire (spectroscopie à résolution temporelle et LIDAR). La possibilité d’intégrer des metasurfaces sur les VCSEL ou sur le SESAM permettra d’ajouter une vorticité aux BL, ce qui rendra possible la création d’une matrice reconfigurable de pinces optiques.
L'utilisation de lasers à semi-conducteurs pour supporter la BL est un aspect important de notre projet. Si la mise en œuvre de la BL dans les lasers à semi-conducteurs améliore leur attractivité pour les applications, la conception et la fabrication de dispositifs capables de supporter ces structures est une tache complexe et une grande partie du projet sera consacrée à leur optimisation.