Un laser à semi-conducteurs se comporte dynamiquement comme un oscillateur non-linéaire amorti, c’est-à-dire qu’une modification de ses conditions de fonctionnement (température, courant, pompage optique) conduit éventuellement en une dynamique transitoire oscillante et amortie vers un état stationnaire (puissance constante). Ces oscillations dites « oscillations de relaxation » sont la manifestation d’une compétition entre la population de photons et la population de porteurs de charge qui en se recombinant créent des photons.
Observation expérimentale de chaos dans un laser à semi-conducteur
(dynamique LFF ou Low Frequency Fluctuations)
En présence d’une rétroaction optique (réflexion d’une partie de la lumière émise), d’une injection optique ou d’une forte modulation du courant d’injection, ces oscillations de relaxation peuvent devenir non amorties et la diode laser se transforme en un oscillateur autonome à une fréquence de l’ordre du GHz. En fonction de ces degrés de liberté externes, on observe également des bifurcations vers des états dynamiques complexes, notamment des routes par doublement de période, quasi-périodicité ou intermittence conduisant au chaos optique. La puissance de sortie de la diode laser oscille dans le temps de façon irrégulière et non prédictible, et ce comportement dynamique est directement la manifestation de la nature essentiellement non-linéaire du mécanisme de couplage photons-porteurs de charge.
Notre étude vise à étudier théoriquement et expérimentalement la richesse de la dynamique non-linéaire d’un laser à semi-conducteurs, et d’isoler ces dynamiques qui seront porteuses d’applications nouvelles et d’innovations. Quelques exemples ci-dessous :
1. Un laser à semi-conducteurs soumis à une rétroaction optique en cavité externe courte (délai dans la cavité externe inférieur au temps caractéristique des oscillations de relaxation) peut présenter une dynamique de battement entre modes de cavité externe. Ce battement conduit en une oscillation entretenue à une fréquence de plusieurs dizaines de GHz ! Nous avons mis en évidence le mécanisme de bifurcation associé à ce phénomène de battement, en particulier l’existence d’un pont de bifurcation de Hopf entre deux modes de cavité externe. Dans cette même configuration laser nous avons expliqué l’apparition d’une dynamique dite de « regular pulse package ». |
Etude du régime de « regular pulse package » dans un laser en cavité externe courte |
Références principales :
[1] “Bifurcation bridges between external-cavity modes lead to polarization self-modulation in vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, T. Erneux, F. Rogister, O. Deparis, P. Mégret, M. Blondel, Phys. Rev. A 65, 041801(R) (2002).
[2] “Stable microwave oscillations due to external-cavity mode beating in laser diodes subject to optical feedback”, T. Erneux, A. Gavrielides, M. Sciamanna, Phys. Rev. A 66, 033809 (2002).
[3] “Hopf bifurcation cascade in small alpha laser diodes subject to optical feedback”, M. Sciamanna, P. Mégret, M. Blondel, Phys. Rev. E 69, 046209 (2004).
[4] “Bifurcation study of regular pulse packages in laser diodes subject to optical feedback", A. Tabaka, K. Panajotov, I. Veretennicoff, and M. Sciamanna, Phys. Rev. E 70, 036211 (2004).
[5] “Intensity behavior underlying pulse packages in semiconductor lasers subject to optical feedback”, M. Sciamanna, A. Tabaka, H. Thienpont, and K. Panajotov, J. Opt. Soc. Am. B 22, 777 (2005).
[6] “Dynamics of vertical-cavity surface-emitting lasers in the short external cavity regime: Pulse packages and polarization mode competition”, A. Tabaka, M. Peil, M. Sciamanna, I. Fischer, W. Elsäβer, I. Veretennicoff, H. Thienpont, K. Panajotov, Phys. Rev. A 73,013810 (2006).
Saut de mode de polarisation dans un laser VCSEL avec rétroaction optique
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2. Un laser VCSEL présente typiquement un basculement de polarisation entre états polarisés linéairement, suite à une modification de température et/ou du courant d’injection. La coexistence de deux états de polarisation, et la bistabilité associée, conduit à de nouvelles dynamiques en présence d’une injection optique externe ou d’une forte modulation du courant d’injection. Ainsi, nous avons démontré théoriquement et expérimentalement l’existence d’un saut de mode de polarisation aléatoire dans le temps, mais qui peut devenir régulier, à la fréquence d’une cavité externe, en présence d’une quantité optimale de bruit. Ce phénomène de résonance cohérente est ici démontré pour la première fois dans un système physique bistable à délai. Nous avons aussi démontré théoriquement et expérimentalement un chaos multimodelié à une compétition de modes transverses et de polarisation dans un VCSEL avec modulation de courant. Nous avons également démontré pour la première fois les mécanismes de bifurcation associés aux transitions vers le chaos dans un VCSEL avec injection optique.
Références principales :
[1] “Bifurcation to polarization self-modulation in vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, F. Rogister, O. Deparis, P. Mégret, M. Blondel, T. Erneux, Opt. Lett. 27, 261 (2002).
[2] “Different regimes of low-frequency fluctuations in vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, C. Masoller, N.B. Abraham, F. Rogister, P. Mégret, M. Blondel, J. Opt. Soc. Am. B 20, 37 (2003).
[3] “Nonlinear polarization dynamics in directly modulated vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, A. Valle, P. Mégret, M. Blondel, K. Panajotov, Phys. Rev. E 68, 016207 (2003).
[4] “Optical feedback induces polarization mode-hopping in vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, K. Panajotov, H. Thienpont, I. Veretennicoff, P. Mégret, M. Blondel, Opt. Lett. 28, 1543 (2003).
[5] “Two-mode injection locking in vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, K. Panajotov, Opt. Lett. 30, 2903 (2005).
[6] “Route to polarization switching induced by optical injection in vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, K. Panajotov, Physical Review A 73, 023811 (2006).
[7] “Nonlinear dynamics accompanying polarization switching in vertical-cavity surface-emitting lasers with orthogonal optical injection”, I. Gatare, M. Sciamanna, J. Buesa, H. Thienpont, K. Panajotov, Applied Physics Letters 88, 101106 (2006).
[8] "Transverse Mode Switching and Locking in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Subject to Orthogonal Optical Injection", A. Valle, I. Gatare, K. Panajotov, M. Sciamanna, IEEE Journal of Quantum Electronics 43, 322 (2007).
[9] "Experimental evidence of coherence resonance in a time-delayed bistable system”, M. Arizaleta Arteaga, M. Valencia, M. Sciamanna, H. Thienpont, M. Lopez-Amo, K. Panajotov, Phys. Rev. Lett. 99, 023903(2007).
Qualité de la synchronisation entre deux lasers VCSELs couplés optiquement
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3. Nous avons étudié théoriquement les conditions conduisant à la synchronisation de la dynamique chaotique de deux lasers VCSELs, soit dans le cas d’un couplage mutuel soit dans le chaos d’un couplage unidirectionnel. Nous avons notamment obtenu la conclusion importante selon laquelle la qualité de la synchronisation est améliorée par la présence d’une compétition de modes de polarisation dans un laser VCSEL. La synchronisation de deux émetteurs chaotiques est le principe fondamental sous-jacent à la cryptographie par chaos : un émetteur chaotique sert de porteuse à des informations à transmettre de façon sécurisée, et la synchronisation d’un récepteur chaotique sur cet émetteur permet la récupération des données. La sécurité est liée à la fois aux propriétés de la synchronisation (qui n’est possible qu’entre émetteurs-récepteurs chaotiques similaires) et à la méthode utilisée pour l’encryption dans la porteuse chaotique. Nous avons étudié de nombreux schémas de cryptographie par chaos, permettant notamment d’améliorer a/ les conditions de multiplexage de plusieurs signaux chaotiques sur un seul canal physique, b/ l’utilisation faite de la large bande passante disponible par une porteuse chaotique (efficacité spectrale).
Références principales :
[1] "Bistable polarization switching in mutually coupled vertical-cavity surface-emitting lasers”, R. Vicente, J. Mulet, C.R. Mirasso, M. Sciamanna, Opt. Lett. 31, 996 (2006).
[2] "Polarization synchronization in unidirectionally coupled vertical-cavity surface-emitting lasers”, M. Sciamanna, I. Gatare, A. Locquet, K. Panajotov, Phys. Rev. E 75, 056213 (2007).
[3] "Influence of polarization mode competition on the synchronization of two unidirectionally coupled vertical-cavity surface-emitting lasers”, I. Gatare, M. Sciamanna, A. Locquet, K. Panajotov, Opt. Lett. 32, 1629 (2007).
[4] "Loss of time-delay signature in the chaotic output of a semiconductor laser with optical feedback”, D. Rontani, A. Locquet, M. Sciamanna, D. Citrin, Opt. Lett. 32, 2960 (2007).
[5] "Impact of light polarization on chaos synchronization of mutually coupled VCSELs", K. Panajotov, M. Sciamanna, H. Thienpont, A. Uchida, Opt. Lett. 33, 3031 (2008).
[6] " Leader-laggard relationship of chaos synchronization in mutually coupled vertical-cavity surface-emitting lasers with time delay", M. Ozaki, H. Someya, T. Mihara, A. Uchida, S. Yoshimori, K. Panajotov, and M. Sciamanna, Phys. Rev. E 79, 026210 (2009).
[7] "Time-delay identification in the chaotic output of a semiconductor laser with optical feedback: a dynamical point of view", D. Rontani, A. Locquet, M. Sciamanna, D. Citrin, IEEE Journal of Quantum Electronics 45, 879-891 (2009).
[8] "Multiplexed encryption using chaotic systems with multiple stochastic delayed feedbacks", D. Rontani, M. Sciamanna, A. Locquet, D. Citrin, Phys. Rev. E 80, 066209 (2009).
Observation expérimentale d’un basculement de polarisation dans un VCSEL à boîtes quantiques (QD VCSEL)
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4. Nous avons démontré pour la première fois un basculement de polarisation dans un laser VCSEL à boîtes quantiques. Contrairement aux résultats obtenus sur des VCSELs à puits quantiques, nos études expérimentales montrent un basculement entre deux états polarisés elliptiquement ! La polarisation de VCSEL à boîtes quantiques semble liée fortement à la géométrie des boîtes quantiques. Des études théoriques sur ces lasers montrent également l’apparition très fréquente de dynamiques d’excitabilité, c’est-à-dire l’apparition spontanée de dynamiques pulsées à des instants aléatoires. L’excitabilité est une propriété intéressante pour le traitement tout optique de l’information et pour son analogie avec les systèmes biologiques. |
Référence principale :
[1] "Polarization switching in quantum dot Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", L. Olejniczak, M. Sciamanna, H. Thienpont, K. Panajotov, A. Mutig, F. Hopfer, D. Bimberg, IEEE Photonics Technology Letters 21, 1008-1010 (2009).
