Plusieurs modes d'émission laser se synchronisent spontanément.
« La coexistence d’une synchronisation partielle d’oscillateurs couplés au sein d’un ensemble plus large d’oscillateurs non synchronisés a été qualifiée de “chimère” par les spécialistes des systèmes complexes et est ici révélée donc dans l’émission d’un laser pour la première fois. Cette propriété permet d’améliorer les performances des lasers et offre un nouveau regard sur l’apparition spontanée d’ordre dans les systèmes complexes », commente Marc Sciamanna, professeur à CentraleSupélec, directeur de la Chaire Photonique et de l’Institut Photonique, et directeur adjoint du LMOPS.
La synchronisation (ou ajustement du rythme entre plusieurs oscillateurs couplés) est une propriété fondamentale des systèmes complexes. Elle est étudiée depuis le 17ème siècle avec notamment la célèbre expérience des pendules couplés de Huygens. Les exemples dans la vie quotidienne sont nombreux : la synchronisation du rythme biologique avec l’alternance jour-nuit, des applaudissements dans une salle de concert ou encore des neurones dans notre cerveau.
Un laser est un exemple naturel de système d’oscillateurs couplés. En effet un nombre important de « modes » qui sont autant d’oscillations optiques à des fréquences différentes coexistent à l’intérieur de la cavité de cette source de lumière exploitée avec la fibre optique. Toutefois, ces modes bien que couplés ne sont pas naturellement synchronisés ; par conséquent, l’émission laser résultant de l’interaction de ces modes est généralement désordonnée dans l’espace et dans le temps.
Les travaux menés dans le cadre de la Chaire Photonique démontrent qu’une partie des « modes » se synchronisent spontanément, laissant apparaître dans l’émission laser une dynamique très ordonnée coexistant avec le désordre issu des autres modes laser non synchronisés.
Les conséquences de cette découverte sont nombreuses. La synchronisation partielle des modes d’un laser permet en effet d’envisager un contrôle sur les instabilités spatiales et temporelles dues à l’interaction d’un grand nombre de modes laser et qui, à ce jour, limitent les performances des lasers dans des applications industrielles de forte puissance. Une meilleure compréhension du fonctionnement d’un laser est également essentielle pour les applications modernes du laser dans les télécommunications à haut débit et l’imagerie à haute résolution. Enfin, étudier et contrôler l’émission désordonnée et instable d’un laser conduit au développement de nouvelles solutions de cryptographie entièrement optique qui permettront de sécuriser l’information échangée sur une fibre optique.
[1] S. Bittner, M. Sciamanna, « Spontaneous phase locking in a broad-area semiconductor laser », Nature Photonics (2025)
