Source photonique 3D à peignes de fréquences Kerr basée sur un interféromètre de Gires-Tournois – KOGIT

Ce projet vise à concevoir, fabriquer et étudier des dispositifs avancés basés sur les nanostructures semi-conductrices III-V pour la génération de peignes de fréquences optiques (PFO) cohérents avec une dynamique transverse contrôlable. Notre approche consiste en un interféromètre de Gires-Tournois Kerr à émission verticale (KGTI) injecté optiquement et intégré dans une cavité compacte en espace libre. Le KGTI consistera en un VCSEL basé sur des métasurfaces (Al)GaAs/InGaAs, avec confinement et dispersion contrôlés afin d’améliorer l’interaction non-linéaire. Le système à cavités couplées permettra d’atteindre le régime bistable et générer des états cohérents avec des propriétés surmontant les limites actuelles pour les applications de télécommunications et d’imagerie. Ce nouveau cadre expérimental sera complété par l’analyse d’un modèle théorique 3D d’équations différentielle partielles avec délai, qui inclut à la fois la diffraction 2D transversale et la dynamique temporelle.
La conception de la cavité externe permettra de passer d’un système monomode transverse à un système dégénéré (auto-imageant). Dans ce dernier cas, nous envisageons de générer plusieurs PFOs spatialement indépendants. Comme produit final, KOGIT délivrera un premier démonstrateur expérimental de PFOs 1D et 3D émis verticalement dans une plate-forme mature basée sur les semi-conducteurs planaires III-V. Notre KGTI vertical permettra de produire des PFOs très cohérents, à faible consommation d’énergie, des taux de répétition GHz, et contenant des centaines de lignes dans le domaine spectral proche infrarouge, avec potentiellement 10 × 10 faisceaux transverses multiplexés et reconfigurables. Ces résultats auront des applications dans la génération parallèle de PFOs pour la détection et la spectroscopie avec doubles OFCs, ainsi que pour les télécommunications.
Sur le plan technologique et expérimental, les obstacles techniques à lever consistent à mettre au point une micro-cavité contenant un matériau à coefficient non-linéaire Kerr très élevé. Pour cet objectif, nous prévoyons d’utiliser le potentiel presque inexploité des matériaux semi-conducteurs basés sur AlGaAs utilisés en-dessous de leur bande interdite. L’interaction non-linéaire bénéficiera du fort confinement de la lumière dans la micro-cavité. La conception de celle-ci trouvera un compromis entre la largeur de l’OFC ciblé ainsi que la valeur de la puissance optique qui sera injectée dans le système KGTI. Le seuil de puissance critique pour la formation des peignes Kerr sera contrôlé par la réflectivité et le type d’imagerie de la cavité externe, ainsi que le décalage de l’injection par rapport à la résonance de microcavité ; le signe de l’injection permettant également d’explorer les régimes de dispersion normale et anormale. Sur le plan théorique, la modélisation du système nécessite l’utilisation d’équations algébriques à délai (DAE). Bien que ces dernières aient un grand potentiel de modélisation des phénomènes dispersifs dans les systèmes photoniques, leur étude est comparativement moins développée que celle des équations différentielles partielles (PDE). En outre, si les DAE sont le choix naturel pour étudier la dynamique temporelle dispersive, la propagation diffractive de la lumière dans le plan transverses de la cavité ainsi que les effets de courbure du champ induits par les lentilles et les miroirs nécessitent l’utilisation de PDE. En tant que tel, un modèle 3D complet doit se composer d’un système hybride DAE-PDE dont l’analyse est bien au-delà de l’état de l’art et représente une entreprise passionnante et stimulante. Les aspects théoriques de KOGIT feront également progresser de façon significative l’étude des phénomènes spatio-temporels dans les milieux non-linéaires. Le cadre expérimental proposé sera complété par le développement d’une méthode d’analyse de bifurcation d’un système hybride DAE-PDE qui constituera un saut qualitatif dans l’état de l’art.