Un laser à semi-conducteurs soumis à une double

Un laser à semi-conducteurs soumis à une double rétroaction optique peut émettre des solitons dissipatifs
temporels. Traditionnellement observés dans les fibres optiques, où les non linéarités sont distribuées, les
solitons peuvent ainsi apparaitre également dans des systèmes à retard où les non linéarités agissent
ponctuellement. Par ailleurs, les solitons observés sont vectoriels, associés à une rotation de la polarisation
du laser sans variation de son intensité d’émission.
Les solitons dissipatifs (SD) sont des états localisés auto-entretenus de la lumière qui apparaissent dans les
systèmes non linéaires hors équilibres. Dans un résonateur optique de petites dimensions transverses, la
localisation ne peut se produire que dans la direction de propagation du champ et les SD correspondent alors à
des impulsions voyageant dans la cavité, sans déformations d'un aller-retour au suivant. Traditionnellement
étudiés dans les fibres optiques, les SD temporels viennent d’être observés dans l’émission polarisée d’un laser à
semi-conducteurs soumis à une double rétroaction optique. Dans cette expérience, la notion de retard associé à
la rétroaction, joue un rôle fondamental dans la formation des SD. Cette observation vient donc renforcer l’idée
d’équivalence entre les systèmes spatio-temporels et les systèmes retardés où la boucle temporelle elle-même
peut être considérée un pseudo-espace où chaque point évolue au grès du nombre des boucles parcourues. Dans
ce contexte, la taille du système est donc définie par la valeur du retard qui, pour garantir l’existence des SD, doit
être grande par rapport à leur durée.
Ce travail, publié dans le journal Nature Photonics est le fruit d'une collaboration entre des chercheurs de
l’Institut Non Linéaire de Nice (CNRS/Université de Nice Sophia Antipolis) et de l’Universitat des Illes Balears
en Espagne. Les DS observés appartiennent à la classe des solitons vectoriels et sont donc associés à une
variation de l’état de polarisation de la lumière. En effet, l’anisotropie de la double boucle de rétroaction induit
une forte compétition entre les deux polarisations pour le gain optique. Ainsi les SD observés correspondent à
des impulsions apparaissant en antiphase dans chaque polarisation (Fig. 1a), mais laissant néanmoins l’intensité
totale constante. L’analyse théorique montre que ces SD consistent en une rotation complète du vecteur de
polarisation sur la sphère de Poincaré (Fig. 1b). Par ailleurs, la représentation spatio-temporelle du système à
retard permet de visualiser l’évolution de la position des SD à l’intérieur de la boucle de rétroaction. Ces
diagrammes révèlent aussi leur diffusion induite par les différentes sources stochastiques présentes dans
l'expérience. Plusieurs SD indépendants, ainsi que des SD liés (molécules de solitons), peuvent coexister; les
premiers peuvent être distingués des seconds par l’absence de corrélation dans leur mouvement diffusif (Fig.1c).
Le nombre maximal de SD, ainsi que la taille maximale des molécules observées, dépendent de la valeur du
délai. En général, une grande variété d’états différents, en nombre et répartition des SD dans la boucle, a été
observée. Toutes ces situations coexistent entre elles ainsi qu’avec une émission stationnaire (i.e. sans SD),
indiquant que chaque soliton peut être allumé à l’aide d’une perturbation et donc utilisé comme un bit
d’information. Au delà de leur intérêt fondamental, les DS sont souvent proposés pour le traitement de
l’information et ceux décrits dans ce travail permettraient, grâce à leur nature vectorielle, d’atteindre des débits
supérieurs à 20 Gb/s.
3
b
Fig.1 a) Intensité d’émission des deux polarisations Y (bleu) et X (rouge).
b) Trajectoire correspondante sur la sphère de Poincaré.
c)
Représentation espace-temps montrant deux molécules indépendants
composées chacune de 2 SD qui collisionnent et forment une molécule de
4 DS.
0
4
round trip num ber (10 )
c
0
tim e (ns)
2.9