Présentation

Le but de cette action est l'étude des phénomènes d'auto-organisation et de la dynamique spatio-temporelle associée dans des microrésonateurs à semiconducteurs. Nous étudions en particulier les solitons de cavité, leurs applications potentielles au traitement tout-optique de l'information et leurs propriétés fondamentales.

Un soliton de cavité est un point lumineux unique pouvant être indépendamment allumé ou éteint en des endroits arbitraires du plan transverse d'un résonateur optique non linéaire. Plusieurs d'entre peuvent coexister simultanément (fig.1). Ils peuvent constituer par là-même des unités élémentaires pour le traitement d'information optique binaire. Mis en œuvre dans des semiconducteurs, ils présentent des dimensions transverses caractéristiques, de l'ordre de la dizaine de micromètres.

Les phénomènes mis en jeux sont très riches et ouvrent des perspectives nouvelles pour l’investigation des instabilités spatio-temporelles résultant de l’interaction lumière-matière en cavité. De même, ils permettent d'envisager un traitement parallèle et tout-optique de l'information de forte densité, tout en relâchant considérablement les contraintes d'adressage. De plus, les propriétés très spécifiques des solitons de cavité peuvent être utilisées pour réaliser des applications basées sur des concepts architecturaux nouveaux, par exemple de type processeur cellulaire.

Fig. 1 : Surface excitée d'un microrésonateur de 100μm de diamètre environ, sur laquelle on a allumé un, deux et plusieurs solitons de cavité d'un diamètre de 10μm environ.

Les solitons de cavité sont en effet :

• inscriptibles et effaçables en tous points du plan transverse du résonateur (fig.2),
• « sociables » : il peuvent coexister avec d'autres, sans interaction à grande distance (supérieure au diamètre), mais ils interagissent fortement à courte distance pour donner des structures liées voire s'annihilent à courte distance.
• mobiles dans un gradient de l'un des paramètres du système : amplitude ou phase du champ de maintien (ou de pompage), résonance de cavité, présence de défauts structurels....

D'autres régimes existent où les solitons sont impulsionnels grâce à la présence d'un absorbant saturable dans la cavité ou d'une rétro-action par réseau de diffraction.

A ce titre, les structures considérées sont des candidats de choix pour réaliser des fonctions de traitement optiques permettant :

• un parallélisme massif,
• une malléabilité de l'information, permettant la reconfiguration ou le transport local d'information (bus optique)
• une mise en œuvre d'architectures de type processeur cellulaire ou permettant plus généralement l'interaction entre cellules voisines.

Parmi les fonctions innovantes notons :

• une ligne à retard
• un convertisseur série-parallèle
• une source micro-laser pulsée à la demande

Membres

Contacts

Kuszelewicz Robert	(+33) 1 69 63 62 01
Barbay Sylvain	(+33) 1 69 63 62 00

Et aussi...

Lemaître Aristide	(+33) 1 69 63 60 72
Sagnes Isabelle	(+33) 1 69 63 61 71

Publications

• Ultrafast Gain and Refractive Index Dynamics in AlInAs/AlGaAs Quantum Dot Based Semiconductor Optical Amplifiers Operating at 800 nm , J. Pulka, T. Piwonski, G. Huyet, J. Houlihan, S. Barbay, A. Martinez, K. Merghem, A. Lemaître, A. Ramdane, R. Kuszelewicz, IEEE J. Quant. Electron. 47, 1094 (2011)
• Cavity Solitons in VCSEL Devices , S. Barbay, R. Kuszelewicz, J. Tredicce, Adv. Opt. Tech. 2011, 628761 (2011)
• Excitability in a semiconductor laser with saturable absorber , S. Barbay, R. Kuszelewicz, A. Yacomotti, Opt. Lett. 36, 4476 (2011)
• Editorial on Dissipative Optical Solitons , R. Kuszelewicz, S. Barbay, G. Tissonni, G. Almuneau, Eur. Phys. J. D 59, 1 (2010)
• Control of cavity solitons and dynamical states in a monolithic vertical cavity laser with saturable absorber , T. Elsass, K. Gauthron, G. Beaudoin, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, S. Barbay, Eur. Phys. J. D 59, 91 (2010)
• Fast manipulation of laser localized structures in a monolithic vertical cavity with saturable absorber , T. Elsass, K. Gauthron, G. Beaudoin, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, S. Barbay, Appl. Phys. B 98, 327 (2010)
• The effect of the excitation and of the temperature on the photoluminescence circular polarization of AlInAs/AlGaAs quantum dots , N. Sellami, A. Melliti, A. Sahli, M. A. Maaref, C. Testelin, R. Kuszelewicz, Appl. Surf. Sci. 256, 1409 (2010)
• The Slowing of Light in One-Dimensional Hybrid Periodic and Quasi-periodic Photonic Crystal , N. Ben Ali, W. Zaghdoudi, M. Kanzari, R. Kuszelewicz, J. Opt. A 12, 045402 (2010)
• Transverse spatial structure of a high Fresnel number Vertical External Cavity Surface Emitting Laser , X. Hachair, S. Barbay, T. Elsass, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, Optics Express 16, 9519 (2008)
• Homoclinic Snaking in a Semiconductor-Based Optical System , S. Barbay, X. Hachair, T. Elsass, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, Phys. Rev. Lett. 101, 253902 (2008)
• Physical model for the incoherent writing/erasure of cavity solitons in semiconductor optical amplifiers , S. Barbay, R. Kuszelewicz, Optics Express 15, 12457 (2007)
• Modeling pattern formation and cavity solitons in quantum dot optical microresonators in absorbing and amplifying regimes , M. Brambilla, T. Maggipinto, I.-M. Perrini, S. Barbay, R. Kuszelewicz, chaos 17, 037119 (2007)
• Nanoepitaxy of InAs/InP quantum dots by metalorganic vapor phase epitaxy for 1.55 mu m emitters , J.-M. Benoît, L. Le Gratiet, G. Beaudoin, A. Michon, G. Saint-Girons, R. Kuszelewicz, I. Sagnes, Appl. Phys. Lett. 88, 041113 (2006)
• Incoherent and coherent writing and erasure of cavity solitons in an optically pumped semiconductor amplifier , S. Barbay, Y. Menesguen, X. Hachair, L. Leroy, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, Opt. Lett. 31, 1504 (2006)
• Optical self-organization and cavity solitons in optically pumped semiconductor microresonators , Y. Menesguen, S. Barbay, X. Hachair, L. Leroy, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, Phys. Rev. A 74, 023818 (2006)
• Cavity optimization of optically pumped broad-area microcavity laser , S. Barbay, Y. Menesguen, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, Appl. Phys. Lett. 86, 151119 (2005)
• Thermal modelling of large-area VCSELs under optical pumping , Y. Menesguen, R. Kuszelewicz, IEEE J. Quant. Electron. 41, 901 (2005)
• Model for optical pattern and cavity soliton formation in a microresonator with self-assembled semiconductor quantum dots , I.-M. Perrini, S. Barbay, T. Maggipinto, M. Brambilla, R. Kuszelewicz, Appl. Phys. B 81, 905 (2005)
• Polarization-mode hopping in single-mode vertical-cavity surface-emitting lasers: Theory and experiment , B. Nagler, M. Peeters, J. Albert, G. Verschaffelt, K. Panajotov, H. Thienpont, I. Veretennicoff, J. Danckaert, S. Barbay, G. Giacomelli, F. Marin, Phys. Rev. A 68, 13813 (2003)
• Experimental study of noise-induced phase synchronization in vertical-cavity lasers , S. Barbay, G. Giacomelli, S. Lepri, A. Zavatta, Phys. Rev. E 68, 20101 (2003)
• Optical Patterns and Cavity Solitons in Quantum Dot Microresonators , S. Barbay, J. Koehler, R. Kuszelewicz, T. Maggipinto, I.-M. Perrini, M. Brambilla, IEEE J. Quant. Electron. 39, 245 (2003)
• Frequency response of polarization switching in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers , G. Verschaffelt, B. Nagler, M. Peeters, J. Albert, J. Danckaert, S. Barbay, G. Giacomelli, F. Marin, IEEE J. Quant. Electron. 39, 1117 (2003)
• An Experimental Study of Stochastic Phase Synchronization in Vertical Cavity Lasers , S. Barbay, G. Giacomelli, S. Lepri, A. Zavatta, Fluctuation and Noise Letters 3, 0 (2003)
• Noise-Induced Phase Synchronization: Theoretical and Experimental Results , J.-A. Freund, S. Barbay, S. Lepri, G. Giacomelli, Fluctuation and Noise Letters 3, 0 (2003)
• Experimental investigation of stochastic processes in vertical-cavity lasers , S. Barbay, G. Giacomelli, S. Lepri, F. Marin, I. Rabbiosi, A. Zavatta, Physica A 327, 120 (2003)
• Precursor forms of cavity solitons in semiconductor microresonators , I. Ganne, G. Slekys, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, Phys. Rev. E 66, 66613 (2002)
• Optical switching waves in III-V semiconductor microresonators , I. Ganne, G. Slekys, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, Phys. Rev. B 63, 65535 (2001)
• Optical self-organisation in bulk and multiquantum well GaAlAs microresonators , R. Kuszelewicz, I. Ganne, G. Slekys, I. Sagnes, M. Brambilla, Phys. Rev. Lett. 84, 6006 (2000)
• Patterns and localized structures in bistable semiconductor resonators , V. Taranenko, I. Ganne, R. Kuszelewicz, C. O. Weiss, Phys. Rev. A 61, 63818 (2000)
• Optical pattern formation in passive semiconductor microresonators , G. Slekys, I. Ganne, I. Sagnes, R. Kuszelewicz, J. Opt. B 2, 443 (2000)

Contrats et projets

Projets Internationaux

Ralentissement optique dans les structures unidime : Ralentissement optique dans les structures unidimensionelles quasi-périodiques

Référence de contrat : Projet bilatéral franco Tunisien CNRS/DGRSRT
Responsable(s) LPN : Robert Kuszelewicz
Principaux objectifs : Ralentissement optique dans les structures unidimensionelles quasi-périodiques (2009-2010)

Ulysse : Growth and Optical Characterization of InAlAs/AlGaAs quantum dots

Référence de contrat : Binational project supported by the Egide between Ireland and France
Coordinateur, Partenaire(s) : T. Piwonsky (TNI)
Responsable(s) LPN : Sylvain Barbay
Principaux objectifs : Growth and Optical Characterization of InAlAs/AlGaAs quantum dots (2009-2009)

FunFACS : Fundamentals, Functionalities and Applications of Cavity Solitons

Référence de contrat : IST-FET-STREP
Responsable(s) LPN : Robert Kuszelewicz
Principaux objectifs : Démonstration et études de systèmes lasers à soltions de cavité en régime cw et pulsé. Applications à des démonstrateurs de traitement originaux et innovants (2004-2007)

Propositions de stages

Stage

• Localisation et contrôle de la diffraction dans des cavités laser à ruban

Date de début de l'offre : 2011-09-01
Niveau : Master2
Thème : Optique quantique et non linéaire (OQNL)
Contact : S. Barbay
Groupe : Photonique et Electronique Quantique (PEQ)
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Le but de ce stage est d'étudier la localisation non-linéaire et le contrôle de la diffraction dans des cavités lasers larges. Dans un milieu optique étendu, on peut observer la propagation de faisceaux lumineux qui ne « s'étalent » pas (ne diffractent pas). Ce phénomène peut-être obtenu de différentes manières : soit en utilisant les propriétés nonlinéaires du milieu, soit en le structurant à l'échelle de la longueur d'onde pour contrôler la diffraction. La conjonction de la localisation spatiale et temporelle (obtenue lorsqu'une impulsion lumineuse se propage sans se déformer) n'a jamais encore été observée expérimentalement et constitue un des défis de l'optique non-linéaire moderne. Nous nous proposons d'étudier un système pouvant permettre d'apporter une preuve expérimentale de l'existence de ces états appelés balles optiques en cavité et d'étudier le contrôle de la diffraction. Le stagiaire étudiera des lasers à ruban fabriqués au laboratoire (coll. avec le groupe Photel) et caractérisera dans un premier temps leur dynamique temporelle, puis spatio-temporelle. Il pourra se familiariser avec l'utilisation du matériel de laboratoire et le travail en salle blanche, en interaction avec plusieurs chercheurs du laboratoire. Ce stage peut aussi comporter un volet modélisation et simulation numérique.


• Réponse de type neuronale et ondes non-linéaires dans micropiliers couplés

Date de début de l'offre : 2011-09-01
Niveau : Master2
Thème : Optique quantique et non linéaire (OQNL)
Contact : S. Barbay
Groupe : Photonique et Electronique Quantique (PEQ)
En savoir plus

Les ondes non-linéaires se propagent dans des milieux non-linéaires et ont des propriétés spécifiques. Contrairement aux ondes linéaires, elles peuvent s’annihiler ou non lorsqu'elles se croisent, en fonction des paramètres du système. Elles ont également la propriété de ne pas se déformer ou s'atténuer lors de leur propagation. Ces ondes sont présentes dans les processus biologiques. Des ondes excitables (de dépolarisation membranaire) sont par exemple responsables de la propagation de l'influx nerveux dans les axones entre les neurones, et la transposition dans le domaine optique de ce phénomène peut ouvrir des perspectives nouvelles dans le transport et le traitement optique de l'information. Le but du stage est d'étudier la formation et la propagation de ces ondes dans des des réseaux de micropiliers non-linéaires couplés. Le travail comporte un volet nano-fabrication et un volet d'étude physique des échantillons réalisés. La nano-fabrication s'effectue au laboratoire dans notre centrale de technologie. Elle permet de se familiariser avec les techniques standards de salle blanche et de nano-fabrication : gravure, lithographie, microscopie électronique, etc... Les études optiques des échantillons se font dans le laboratoire et utilisent des lasers d'excitation ainsi que des moyens de détection récents (oscilloscopes numériques large-bande, détecteurs rapides, caméras, …). Ce travail s'effectue en collaboration avec A. Giacomotti au LPN.

Stages passés et en cours

Stage

• Bistabilité et auto-pulsation dans des lasers bi-section à semiconducteur

H. Grasland-(2010-05-17 / 2010-07-02)
Niveau : Licence
Thème : Optique quantique et non linéaire (OQNL)
Contact : S. Barbay
Groupe : Photonique et Electronique Quantique (PEQ)
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Bistabilité et auto-pulsation dans des lasers bi-section à semiconducteur