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Effets d'échelle dans les systèmes optiques non-linéaires à retard – TINO

Systèmes optiques à retard temporel: chaos et auto-organisation

Les systèmes optiques à retard présentent une grande diversité de comportements dynamiques complexes. Ce projet vise à apporter un nouvel éclairage et une meilleure compréhension de la physique de la complexité en optique, afin d'exploiter le chaos et l'auto-organisation pour des applications en traitement de l'information.

Dévoiler la complexité en optique pour de nouveaux concepts de traitement tout optique de l'information

Ce projet apporte un nouvel éclairage et perspectives dans notre compréhension de la dynamique de systèmes non-linéaires à retard, en étudiant spécifiquement l'influence de l'effet d'échelle du retard par rapport aux autres constantes de temps du système. Il est attendu que le comportement temporel et spatial d'un système optique soit fortement influencé par ces effets d'échelle, qui se manifesteront par de nouvelles formes d'ordre et de désordre dans la dynamique du système. Ces études physiques conduiront à de nouvelles applications comme (1) la génération tout optique d'impulsions optiques à des fréquences supérieures au GHz et contrôlables par le retard temporel, (2) de nouvelles solutions de stockage et adressage optique par la manipulation de structures lumineuses grâce au retard temporel. Ce projet traite donc plusieurs sujets ambitieux qui dépassent significativement l'état de l'art. (1) Les expériences proposées sont originales et à risque. Il n'y a pas d'expérience comparable qui étudie la dynamique temporelle d'un système optique avec une telle diversité d'échelles de temps (de 1ns à 1s). (2) La possibilité d'obtenir des impulsions tout optique à des fréquences supérieures au GHz est intéressante pour le recouvrement d'horloge et la commutation optique rapide. Ce résultat est ici obtenu de façon stable et avec une fréquence contrôlable par la quantité de lumière rétro-injectée, contrairement aux situations connues jusqu'à présent. (3) La manipulation de structures lumineuses dites dissipatives par le retard temporel n'a jamais été démontrée et permet de manipuler la lumière dans l'espace et le temps.

Le programme de travail est organisé en cinq tâches principales résumées ci-dessous. La TACHE 1 est relative à la supervision et au suivi administratif du projet. La TACHE 2 est relative aux aspects fondamentaux des systèmes à retard et au développement des outils numériques pour la simulation des modèles dynamiques appropriés. La TACHE 3 est relative à l'analyse expérimentale des dynamiques temporelle et à l'investigation des effets d'échelle correspondants quand le délai temporel varie par rapport aux échelles de temps du système. Ce travail inclut la mise à point d'une plateforme expérimentale dans laquelle une diode laser est soumise à une rétroaction optique à conjugaison de phase par mélange d'ondes dans un cristal photoréfractif. Le choix des matériaux pour ce cristal influence son temps caractéristique d'effet non-linéaire. La TACHE 4 est relative à l'analyse expérimentale des dynamiques spatiales, et à l'investigation des effets d'échelle correspondants lorsque la distance au miroir externe change par rapport aux dimensions caractéristiques du système. Le système expérimental est une cavité nonlinéaire photoréfractive à simple feedback. Le retard temporel introduira de la nonlocalité responsable d'une grande richesse dynamique et de la formation de structures auto-organisées complexes. Les résultats recherchés incluent la formation d'ondes scélérates et autres événements extrêmes. La TACHE 5 est relative à la dissémination des résultats et est sous la responsabilité principale du coordinateur bien que les contributions sont attendues de tous les membres de l'équipe.

Ce projet propose une combinaison originale de deux problématiques qui sont d'un intérêt majeur à la fois pour leurs aspects sociétaux et technologiques: (1) la dynamique nonlinéaire spatiale et temporelle de systèmes complexes, (2) l'expérimentation et les applications des systèmes optiques (traitement, stockage de l'information). Comment les systèmes complexes se comportent dans l'espace et le temps est probablement l'une des questions les plus fascinantes de la physique moderne aujourd'hui. Suite la découverte du chaos en 1963 et les travaux de la physique des systèmes hors équilibre et la formation de structures spatiales organisées, il y a aujourd'hui une communauté très active travaillant sur la compréhension de l'émergence d'ordre dans une grande variété de systèmes. Par exemple les comportements collectifs, l'économie, les réactions chimiques, les réseaux de neurones, l'expression des gènes. Un aspect commun mais souvent négligé de ces systèmes est la présence d'un retard temporel, qui vient d'une rétroaction d'un signal de sortie sur l'entrée du système. Quand il est pris en compte, le retard peut être source de chaos spatio-temporel dans un système autrement homogène et stationnaire, ou au contraire peut générer l'ordre le plus parfait dans un système initialement turbulent. Bien que cruciales, les études de l'effet du retard restent rares premièrement parce le traitement théorique nécessite les outils les plus avancés, mais aussi parce qu'expérimentalement le délai n'est pas facilement accessible et ajustable dans les systèmes chimiques et biologiques. Nous traitons ici l'effet du retard en utilisant des systèmes photoniques avancés pour lesquels le délai est ajustable et son effet mesurable à haute résolution temporelle ou spatiale. Notre compréhension de l'effet du retard sur la dynamique spatiale et temporelle de la lumière permettra d'envisager des applications nouvelles et une amélioration des performances des systèmes photoniques.

Comme cité par la Commission Européenne le 30/09/2009, la photonique est l«une des cinq Technologies Clés (KET) «dont le développement permettra la création de nouveaux biens et services, donc aidera et soutiendra la création d'opportunités d'emplois hautement qualifiés«. Selon Photonics21, la Plateforme Technologique Européenne, le marché global de la photonique est estimé aujourd'hui à 300 billion€ et les compagnies en photonique emploient environ 290 000 personnes en Europe. Dans un document intitulé 'Photonics: our vision for a key enabling technology' de Mai 2011, il est explicitement mentionné que l'effort doit porter sur le développement de «nouvelles technologies optiques pour le traitement de l'information«. Notre projet en combinant les systèmes photoniques les plus avancés et de nouveaux paradigmes provenant de la science non linéaire, vise ces objectifs économiques et contribue à ces nouvelles solutions de traitement de l'information

(1) Première démonstration de résonance cohérente déterministe induite par un retard temporel dans un système physique. L'inclusion d'une quantité optimale de signal retardé dans un système optique conduit à une régularité optimale des impulsions émises par le laser. Cette situation appelée résonance cohérente (1997) est ici obtenue sans l'ajout de bruit et uniquement par l'addition du retard temporel.

(2) Première démonstration d'ondes scélérates dans un système optique à retard. Nous montrons que l'addition d'un retard temporel dans la dynamique d'un système laser conduit à des impulsions de très forte intensité, intensité de loin supérieure à celle de la moyenne du signal. Ces impulsions d'intensité élevées ont des propriétés statistiques similaires à celles des ondes scélérates en hydrodynamique.

(3) Première démonstration de l'interaction entre une advection induite par une rétroaction optique dite nonlocale, et une rotation induite par un vortex sur la dynamique d'un pattern optique. L'addition de la rétroaction optique nonlocale permet de supprimer la rotation du pattern optique induite par le vortex.

Une composante fréquente de nombreux systèmes dynamiques est la présence d'un délai temporel, quand par exemple une rétroaction couple un signal de sortie avec un signal d'entrée. Des exemples sont rencontrés souvent en biologie (réseaux de neurones, réseaux de régulation de gènes) et dans les réseaux sociaux (régulation du trafic de véhicules, internet). Un couplage en rétroaction à retard temporel a un impact significatif sur la dynamique du système et peut être responsable de l'émergence de chaos et au contraire d'une auto-organisation spatiale en des patterns ou motifs réguliers. Les dynamiques résultant de la rétroaction optique à retard dépendent du rapport entre l'intensité du couplage ou rétroaction et l'intensité du signal émis, mais aussi de façon plus complexe du rapport entre la valeur du retard et les constantes de temps et dimensions caractéristiques du système. Ce projet va tirer profit de l’ingénierie de systèmes photoniques avancés pour fournir pour la première fois une compréhension détaillée de ces effets de rapports ou effets d'échelle dans les systèmes à retard, et les exploiter pour des applications innovantes. Ainsi, la conjugaison de phase dans des cristaux semiconducteurs photoréfractifs sera utilisée pour ré-injecter un faisceau laser dans une diode laser avec un retard temporel contrôlable et modifiable par les constantes de temps liés à la physique de l'optique non-linéaire mise en jeu (nanoseconde à seconde). Une émission laser auto-pulsée à des fréquences supérieures à plusieurs dizaines de GHz et une émission chaotique robuste et contrôlée seront obtenus en faisant varier le délai temporel par rapport aux constantes de temps du système laser, avec des applications envisagées en traitement tout optique de l'information et cryptographie ou communication sécurisée par chaos. Le pompage optique de cavités optiques non linéaires photoréfractives ou de lasers à cavité verticale à section large sera utilisé pour générer des solitons ou patterns spatiaux dissipatifs. La possibilité de régler la dimension du matériau non linéaire et de la cavité étendue, et donc de régler les caractéristiques de diffraction de ces solutions spatialement auto-organisées permettra de les contrôler et des développer des solutions alternatives et innovantes pour le stockage optique. Par cette combinaison originale de physique des lasers, science du non linéaire et optique non linéaire, ce projet adresse la question globale et actuelle sur comment un système complexe se comporte dynamiquement en espace et en temps, c'est-à-dire, une des questions les plus fondamentales de la physique moderne aujourd'hui.

Coordination du projet

Marc Sciamanna (Supélec) – Marc.Sciamanna@supelec.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Supélec Supélec

Aide de l'ANR 209 385 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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