Des chercheurs de Supélec (France) et de la Vrije Universiteit Brussel (Belgique) publient une découverte majeure dans la revue Nature Photonics: une diode laser peut présenter un comportement chaotique et devenir donc imprédictible.

Nous célébrons cette année deux découvertes scientifiques majeures qui ont fortement modifié notre quotidien et au-delà notre connaissance du comportement du monde qui nous entoure: les 50 ans de l’invention de la diode laser et les 40 ans de l’exposé de Edward Lorenz lors d’une conférence de l’AAAS sur ce que nous appelons aujourd’hui l’effet papillon.

Les diodes lasers ou lasers à semi-conducteurs ont été inventé en 1962 et depuis sont largement utilisés dans les produits de notre vie de tous les jours. Ils génèrent ces impulsions optiques qui portent l’information dans les réseaux de fibres optiques et nous permettent de communiquer à des distances et des débits de données toujours plus grands. Ils nous permettent d’écouter notre musique favorite ou de regarder des films en hautedéfinition sur des CDs ou DVDs. Leur lumière scanne nos achats dans les supermarchés et permettent des impressions de nos documents rapides et de qrande qualité.

Un an après, en 1963 et dans un contexte complètement différent, le Mathématicien et Météorologiste Edward Lorenz a découvert qu’un système simple avec seulement trois variables peut présenter la dynamique la plus complexe: une évolution non périodique de ses variables dans le temps alors que le système n’est perturbé par aucun élément extérieur ou bruit. Le fait qu’un tel système pourtant simple puisse produire naturellement une dynamique aussi compliquée a révolutionné notre compréhension de la complexité du monde qui nous entoure. De plus ces systèmes aujourd’hui appelés chaotiques ont leur évolution future fortement dépendante de l’état initial du système – une propriété qualifiée d’effet papillon par Edward Lorenz en 1972. De petits changements dans l’état initial du système se traduisent par une modification dramatique de son évolution future, conduisant donc à l’impossibilité de prédire l’état du système à tout instant, un peu comme si une perturbation aussi infime que localement le battement d’aile d’un papillon dans l’atmosphère pouvait engendrer une évolution dramatique du climat avec une tornade à un autre endroit!

Cinquante ans se sont passés avec l’idée selon laquelle les diodes lasers étaient des systèmes dynamiques ne présentant pas cet effet papillon intrinsèque. En effet leur dynamique est dictée par l’évolution de seulement deux variables: le champ électrique et l’inversion de population (paires électron-trou qui en se recombinant par émission stimulée créent des photons). Les diodes lasers ont ainsi été jusqu’à présent considérées comme des systèmes dynamiques stationnaires et stables à défaut de moduler rapidement le courant qui alimente le laser ou de concevoir des systèmes complexes où le laser est soumis à une rétroaction ou injection optique externe.

Dans un article publié par la revue Nature Photonics [1], M. Virte et M. Sciamanna (OPTEL et LMOPS, Supélec et Université de Lorraine) et K. Panajotov et H. Thienpont (B-PHOT, Vrije Universiteit Brussel) présentent le premier cas d’une diode laser qui peut être intrinsèquement chaotique, sans modulation externe ou bruit. Les auteurs identifient le chaos dans la polarisation de la lumière générée et expliquent ce résultat par un couplage non linéaire des spins des porteurs de charge dans un laser à émission par la surface. Ce résultat révolutionne notre connaissance de la dynamique d’une diode laser depuis 50 ans, mais permet également d’envisager de nouvelles applications comme la génération optique Des chercheurs de Supélec (France) et de la Vrije Universiteit Brussel (Belgique) publient une découverte majeure dans la revue Nature Photonics: une diode laser peut présenter un comportement chaotique et devenir donc imprédictible. ARTICLE DE PRESSE – 18 NOVEMBRE 2012 2 (hardware) de nombres aléatoires et la cryptographie optique basée sur le multiplexage de lumière à polarisation chaotique.

 

[1] « Deterministic polarization chaos from a laser diode », M. Virte, K. Panajotov, H. Thienpont, M. Sciamanna, Nature Photonics advance online publication, 18.11.2012 (DOI 10.1038/NPHOTON.2012.286)

 

Contacts :

Chercheur (Supélec)
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+33 687 431 778

Supélec
Mariane Dubiez @supelec.fr

VUB
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UL
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@univ-lorraine.fr