Le traitement de l’information demain exploitera la richesse dynamique des systèmes photoniques non-linéaires
La photonique a permis le développement de la société de l’information et de la communication, en permettant à des données encodées dans un laser d’être transmises à grande distance et récupérées ensuite pratiquement sans erreur. Les enjeux modernes du traitement de l’information nécessiteront de penser des solutions technologiques pour augmenter le débit physique de transmission des données, tout en permettant une approche physique à la sécurisation de l’information.
L’Institut Photonique répond à ces enjeux en exploitant en particulier la richesse de la dynamique non-linéaire de systèmes photoniques. La dynamique non-linéaire est la propriété d’un système physique d’évoluer dans le temps et/ou dans l’espace éventuellement de façon non stationnaire et prévisible mais bien apériodique et imprévisible, une situation extrême que l’on appelle chaos déterministe. En exploitant ces dynamiques non-linéaires on peut soit améliorer la rapidité des systèmes photoniques à traiter l’information, soit y introduire une sécurisation des données, soit encore améliorer les performances d’une liaison de télécommunications.
Quand la lumière interagit avec la matière, ici un cristal non-linéaire, la matière modifie ses propriétés conférant ainsi à la lumière qui la transverse de nouvelles propriétés. C’est cet échange subtil entre la lumière et la matière qui permet de développer de nouvelles solutions de traitement de l’information… une intelligence photonique.
L’instabilité dynamique en photonique offre de nouvelles solutions de calcul et d’encryption à haut débit
Nous avons découvert qu’un laser utilisé en télécommunications optiques qui présente classiquement une bande passante limitée pour y encoder des données, possède toutes les propriétés d’un oscillateur non-linéaire avec la possibilité de générer des dynamiques pulsées entretenues à des fréquences largement supérieures à quelques GHz, des dynamiques neuronales rapides, des dynamiques chaotiques très large bande etc. Les dynamiques pulsées rapides permettent d’exploiter le laser pour la génération rapide de signaux optiques impulsionnels, utiles notamment pour des applications de spectroscopie, de capteurs rapides, ou de modulation rapide de données. Les dynamiques qui miment le comportement neuronal sont exploitables pour du calcul neuro-inspiré où le laser remplace un réseau de neurones pour l’apprentissage de tâches (une solution dite d’intelligence artificielle photonique). Les dynamiques chaotiques du laser permettent de générer à très haut débit des clés de cryptographie utiles pour sécuriser l’information.
La puissance émise par un laser peut évoluer de façon totalement imprévisible. Contrôlée, cette dynamique permet de générer physiquement des données aléatoires à très haut débit et d’encrypter des données. Nous avons ainsi démontré plus de 100 000 000 000 piles ou faces « optiques » par seconde générés par ce laser, soit le dé le plus rapide du monde !
L’interaction non-linéaire de la lumière avec la matière permet de guider la lumière par la lumière elle-même
De façon similaire, l’interaction non-linéaire entre la lumière et certains matériaux permet d’activer des dynamiques spatiales et temporelles complexes utiles pour le traitement optique rapide et parallèle de l’information. Des guides d’ondes induits par la lumière elle-même dans des matériaux sont possibles, permettant de transformer la matière en un espace de stockage et de manipulation de l’information optique. Des solutions optiques particulières dites solitons permettent à la lumière de se propager sans se déformer dans la matière mais aussi interagissent pour offrir à la lumière des branchements et connexions optiques dans la matière, conduisant ainsi à la création spontanée et reconfigurable de coupleurs optiques.
L’interaction de deux faisceaux de lumière dans des matériaux dits photoréfractifs permet de réaliser des guides d’ondes entièrement optiques et dont la géométrie est reconfigurable. Ces guides tout optiques permettent également de construire des coupleurs X ou Y dans un matériau non-linéaire.
Des matériaux non-linéaires permettent de ralentir la lumière
La lumière peut modifier significativement la dispersion de certains matériaux non-linéaires, de sorte qu’une impulsion de lumière se propageant dans ce matériau réduit sa vitesse significativement. Alors que la lumière met environ 0.001 seconde pour faire le tour de la terre, une impulsion de lumière peut mettre jusque 1 seconde pour traverser 1cm de matériau… soit une réduction d’un facteur 10 milliard sur la vitesse de la lumière dans l’air ! Ce résultat permettra de concevoir des mémoires optiques pour y ralentir voire stocker des impulsions optiques se propageant dans les réseaux de télécommunications, remplaçant les commutateurs et routeurs électroniques.
Une impulsion de lumière (vert) se trouve ralentie de près d’une milliseconde dans un matériau non-linéaire long d’1cm. Ce ralentissement permet d’envisager demain un routeur optique qui ralentira les impulsions pour ensuite les router tout optiquement vers le bon port de sortie.
Dynamique non-linéaire de lasers à semi-conducteurs, calcul neuro-inspiré, guides d’onde tout-optiques, ralentissement de la lumière
Calcul neuro-inspiré physique, intelligence artificielle matérielle, dynamique non-linéaire de composants photoniques, analyse de données / simulation de systèmes photoniques
Guides d’onde photo-induits, patterns optiques, interaction faisceaux non conventionnels et calcul neuro-inspiré, matériaux photoréfractifs
Matériaux photoréfractifs, guides d’onde photo-induits, ralentissement de la lumière
