Basculement de polarisation, contrôle et synchronisation de lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSELs) soumis à injection optique=Polarization switching, locking and synchronization in VCESLs with optical injection

Le laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL ou Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) comporte des avantages compétitifs par rapport aux lasers émettant par le côté. Le VCSEL présente souvent deux modes de polarisation linéaire orthogonaux avec des fréquences et des gains optiques presque identiques. Dès lors, de faibles perturbations telles que des modifications du courant d injection ou de la température peuvent induire des basculements de polarisation. Toutefois, en utilisant un schéma d injection optique d un faisceau laser externe, il est possible de contrôler ces instabilités de polarisation. Nous nous intéressons au contrôle du basculement de polarisation, à la bistabilité de polarisation ainsi qu à la compétition des modes transverses d un VCSEL soumis à injection optique de polarisation orthogonale. En variant les paramètres d injection(puissance injectée et désaccord en fréquence entre le laser maître et le VCSEL), nous montrons que le basculement de polarisation implique des dynamiques non linéaires telles le mélange d ondes, le cycle limite, la résonance subharmonique ainsi qu une route de doublement de période vers le chaos optique. L analyse des bifurcations sous-jacentes permet de dresser une cartographie des dynamiques de basculement de polarisation du VCSEL. orthogonaux affecte la qualité de la synchronisation du chaos. Ces résultats sont intéressants dans le cadre du développement de liaisons de communication sécurisée par chaos optique. Dans notre thèse, nous étudions également la synchronisation du chaos de VCSELs dans un schéma de couplage unidirectionnel. Nous montrons que la compétition des modes de polarisation linéaireVertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) have competitive advantages with respect to conventional edge-emitting lasers such as the fabrication of dense two-dimensional VCSEL arrays for optical interconnects. VCSELs exhibit intriguing polarization properties which are critical in polarization-sensitive applications. Polarization switching (PS) between two VCSEL s preferential orthogonal linearly polarized (LP) modes may be induced by changing the bias current, temperature or, externally, through orthogonally polarized optical injection. Depending on optical injection parameters, i.e., the injected power and the frequency detuning, injection-locking of the VCSEL can be achieved. We contribute to the study of polarization bistability, polarization switching (PS), injection-locking and transverse mode competition in a VCSEL subject to orthogonal continuous-wave optical injection. We experimentally show and theoretically demonstrate that PS and locking may involve rich nonlinear dynamics including wave mixing, limit cycle, subharmonic resonances or a period-doubling route to chaos. In particular, we analyze the interplay between PS and the underlying nonlinear dynamics, and unveil its bifurcation mechanisms. Our study brings a new insight into the physics of polarization dynamics in externally-driven VCSELs. Chaos synchronization of coupled VCSELs is also investigated. A feedback-induced chaotic light from the master VCSEL is unidirectionally injected into the slave VCSEL. We show that the synchronization quality can be significantly enhanced when chaos involves both orthogonal LP modes. This result is interesting for chaos communication schemes based on VCSELs.METZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Analyse de la dynamique de solitons photoréfractifs

Les faisceaux laser se propageant dans un cristal photoréfractif sont à l'origine de la formation de solitons spatiaux nommés solitons photoréfractifs, dans le cadre d'un phénomène nommé filamentation. Leur dynamique complexe et sensible aux conditions initiales suggère la présence d'un chaos spatial, pressenti par les simulations numériques de propagation de faisceau. De manière à caractériser ce supposé chaos, nous utilisons d'abord un programme de modélisation basé sur une interprétation système des solitons; la méthode de conformations d'événements quantifie alors la divergence entre deux dynamiques issues de populations de solitons très proches. La plupart des résultats montrent une décorrélation rapide; mais la dynamique ainsi modélisée ne peut pas être qualifiée de chaotique étant donnée sa dégradation tendancielle. Revenant aux simulations, nous construisons dans le cadre d'une approche statistique des estimateurs nommés forces de complexité quantifiant la divergence entre deux simulations; ceux-ci s'avèrent être directement proportionnels au coefficient non-linéaire, un paramètre physique du cristal simulé. Une identique dégradation de la dynamique empêche celle-ci d'être identifiée à un chaos; néanmoins, elle esquisse une pareille sensibilité aux conditions initiales. Cette méthode est ensuite adaptée à des données expérimentales, où la décorrélation dans le temps et l espace a pu être quantifiée avec succès grâce à un concept nouveau de multicorrélation. Puis utilisant des concepts de dimension fractale et d'estimateurs issus de l'économétrie, nous avons caractérisé comment s'organise des points de vue nodal et redistribution de l'énergie la dynamique solitonique. Enfin, nous avons conclu qu'en dépit d'une absence de validation rigoureuse de certains critères de chaos, la dynamique présente une forte décorrélation dont les caractérisations quantitatives montrent une analogie empirique avec un système chaotiqueLaser beams propagating in a photorefractive crystal create spatial solitons called photorefractive solitons, in a phenomenon labelled filamentation. Their dynamics, complex and sensitive to initial conditions, make us assume the presence of spatial chaos, as would suggest beam propagation simulations. In order to characterize this assumed chaos, we first used a Modelling Program based upon a system interpretation of solitons ; Event Conformation Method then quantized the divergence between two dynamics from near but different solitons populations. Most results showed fast decorrelations ; but the dynamics we thus characterized cannot be labelled chaotic, because of their tendency to decay. Coming back to simulations, we built statistical estimators called divergence strengths quantizing the divergence between two simulations ; these estimators show to be proportional to nonlinear coefficient, a parameter of the modelled crystal. Because of an identical decay, these dynamics cannot be qualified as chaotic ; nevertheless, the high initial condition sensitiveness is on par with a chaotic system. This method was then adapted to experimental data, where time and space decorrelation has been successfully characterized thanks to an innovative concept of multicorrelation. Then, using concepts based on fractal dimensions and estimators from econometrics, we characterized the organizing of solitons dynamics, node-wise and energy redistribution-wise. Thus we concluded that despite the absence of validation of a few chaos criteria, dynamics there show strong decorrelations whose numerical characterizations display empirical resemblance to a standard chaotic systemMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Polarization switching, locking and synchronization in VCSELs with optical injection

Le laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL ou Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) comporte des avantages compétitifs par rapport aux lasers émettant par le côté. Le VCSEL présente souvent deux modes de polarisation linéaire orthogonaux avec des fréquences et des gains optiques presque identiques. Dès lors, de faibles perturbations telles que des modifications du courant d injection ou de la température peuvent induire des basculements de polarisation. Toutefois, en utilisant un schéma d injection optique d un faisceau laser externe, il est possible de contrôler ces instabilités de polarisation. Nous nous intéressons au contrôle du basculement de polarisation, à la bistabilité de polarisation ainsi qu à la compétition des modes transverses d un VCSEL soumis à injection optique de polarisation orthogonale. En variant les paramètres d injection¡(puissance injectée et désaccord en fréquence entre le laser maître et le VCSEL), nous montrons que le basculement de polarisation implique des dynamiques non linéaires telles le mélange d ondes, le cycle limite, la résonance subharmonique ainsi qu une route de doublement de période vers le chaos optique. L analyse des bifurcations sous-jacentes permet de dresser une cartographie des dynamiques de basculement de polarisation du VCSEL. orthogonaux affecte la qualité de la synchronisation du chaos. Ces résultats sont intéressants dans le cadre du développement de liaisons de communication sécurisée par chaos optique. Dans notre thèse, nous étudions également la synchronisation du chaos de VCSELs dans un schéma de couplage unidirectionnel. Nous montrons que la compétition des modes de polarisation linéaireVertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) have competitive advantages with respect to conventional edge-emitting lasers such as the fabrication of dense two-dimensional VCSEL arrays for optical interconnects. VCSELs exhibit intriguing polarization properties which are critical in polarization-sensitive applications. Polarization switching (PS) between two VCSEL s preferential orthogonal linearly polarized (LP) modes may be induced by changing the bias current, temperature or, externally, through orthogonally polarized optical injection. Depending on optical injection parameters, i.e., the injected power and the frequency detuning, injection-locking of the VCSEL can be achieved. We contribute to the study of polarization bistability, polarization switching (PS), injection-locking and transverse mode competition in a VCSEL subject to orthogonal continuous-wave optical injection. We experimentally show and theoretically demonstrate that PS and locking may involve rich nonlinear dynamics including wave mixing, limit cycle, subharmonic resonances or a period-doubling route to chaos. In particular, we analyze the interplay between PS and the underlying nonlinear dynamics, and unveil its bifurcation mechanisms. Our study brings a new insight into the physics of polarization dynamics in externally-driven VCSELs. Chaos synchronization of coupled VCSELs is also investigated. A feedback-induced chaotic light from the master VCSEL is unidirectionally injected into the slave VCSEL. We show that the synchronization quality can be significantly enhanced when chaos involves both orthogonal LP modes. This result is interesting for chaos communication schemes based on VCSELs.METZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Temporal behavior of bidimensional photorefractive bright spatial solitons

The time behavior of bright spatial solitons in biased photorefractive media is investigated within the framework of a bidimensional band transport model. Biasing the photorefractive media requires an externally applied electric field or the presence of a photovoltaic effect. These two basically different phenomena are shown to be equivalent and additive. The mechanism of space-charge field buildup is analytically expressed, leading to a time-dependent wave propagation equation in generic photorefractive media. The temporal behavior of the soliton solutions to this equation is investigated. It shows the evolution of the soliton beam from the time the external electric field is applied to the final steady-state soliton. On the way, the so-called quasisteady soliton is retrieved, along with its properties. Furthermore, the photovoltaic soliton is described by the wave propagation equation: its behavior is the same as that of the steady-state soliton, the transient states included. Finally, low-power photorefractive bright spatial solitons are generated in a Bi12TiO20 crystal with a He-Ne laser and their temporal behavior is investigated, thus providing an experimental validation of our theoretical considerations

Numerical simulation of the propagation of a single laser pulse in a photorefractive medium

International audienc

Build up mechanisms of (1+1)-dimensional photorefractive bright spatial quasi-steady-state and screening solitons

International audienceA (1+1)-dimensional model is studied numerically to evidence the build up mechanisms of photorefractive solitons, from the characteristic carrier recombination time, through the quasi-steady-state soliton, to the screening soliton. Three different build up regimes are evidenced and their domain of existence are computed. The transient quasi-steady-state soliton is shown to be characterized by two constants: its normalized width and its normalized build up time response multiplied by its peak intensity over dark irradiance. This latter assertion allows us to predict the photorefractive soliton response time for various optical powers. It is thus compared to existing experimental results

Photorefractive spatial solutions: a route towards optical switching

International audienceAll optical logic and switching is one of the key issues of optical computing and addressing. This paper proposes a low power switching technology with which switching can be achieved with optical powers on the scale of a few mW/cm2. This can be achieved by using a sensitive optical nonlinearity: the photorefractive effect. The drawback of the photorefractive effect sensitivity being its slow time response, this paper shows that this can be worked around by founding the switching technology on the transient photorefractive state rather than on its slow steady state