La Chaire Photonique révèle une propriété des lasers totalement inédite

L’équipe de la Chaire Photonique, structure créée au sein du campus de Metz de CentraleSupélec et du laboratoire LMOPS (Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes, CentraleSupélec et Université de Lorraine), vient de publier un article dans la revue Nature Photonics[1] révélant un comportement nouveau et totalement inattendu des lasers : 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. De l’ordre apparaît donc spontanément au milieu du désordre de l’émission d’un laser.

« 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 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.

A propos de la photonique

La photonique, ou science relative à la lumière, est une technologie d’avenir qui va révolutionner le quotidien de chacun tout en apportant des réponses aux grands défis de société et aux grandes transitions - santé, numérique, écologie, énergie. Elle est aussi une technologie qui participe à préserver et garantir notre souveraineté, notamment notre souveraineté numérique. Enfin, elle constitue une filière économique en pleine expansion avec déjà plus de 1000 entreprises et plus de 70 000 emplois directs et indirects en France. La photonique est considérée par la Commission Européenne comme l’une des technologies-clés (« Key Enabling Technologies » ou KET) dans le cadre du programme Horizon Europe.

A propos de la Chaire Photonique

La Chaire Photonique est une structure créée au sein du Campus de Metz de CentraleSupélec et du laboratoire LMOPS (Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes) – laboratoire dont CentraleSupélec partage la tutelle avec l’Université de Lorraine.

Créée en 2017, la Chaire Photonique est à ce jour l’unique Chaire en France dédiée à la photonique, c’est-à-dire la science et les technologies relatives à la lumière.

Cette Chaire est unique par son financement multi-partenaires, impliquant un grand groupe industriel GDI Simulation, l’Union Européenne (FEDER ou Fonds Européen de Développement Régional), l’État, la Région Grand-Est, le Département de la Moselle et l’Eurométropole de Metz.

En 2024, la Chaire Photonique est à l’initiative de la création de l’Institut Photonique, qui est un large consortium d’acteurs publics et privés en région Grand Est et au Luxembourg, engagés pour le développement de la recherche, de l’innovation, des formations et de la culture scientifique en photonique. L’Institut Photonique comprend douze membres fondateurs et une dizaine de partenaires affiliés. L’Institut Photonique est coordonné par CentraleSupélec.

A propos du laboratoire LMOPS (Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes)

Le Laboratoire Matériaux, Optique, Photonique et Systèmes (LMOPS) regroupe les équipes de recherche de l’Université de Lorraine et de CentraleSupélec, sur les sites de Metz, Saint-Avold et Thionville. Il regroupe près de 30 enseignants-chercheurs et une quinzaine de chercheurs, répartis dans plusieurs équipes selon 3 axes de recherche. Il a été créé en 2000 à partir du Laboratoire Matériaux Optiques à Propriétés Spécifiques, laboratoire de l’Université de Metz, lors de l’association de sa deuxième tutelle de l’époque, Supélec. Il héberge la Chaire Photonique, unique en son genre et créée en 2017, au sein de son équipe éponyme.

A propos de CentraleSupélec

CentraleSupélec est un établissement public à caractère scientifique, culturel et professionnel, né en janvier 2015 du rapprochement de l’Ecole Centrale Paris et de Supélec. Aujourd’hui, CentraleSupélec se compose de 4 campus en France (Paris-Saclay, Metz, Rennes et Reims). Elle compte plus de 5 400 étudiants, dont 3 800 élèves ingénieurs, et regroupe 18 laboratoires ou équipes de recherche. Fortement internationalisée (25 % de ses étudiants et près d’un quart de son corps enseignant internationaux), l’école a noué plus de 170 partenariats avec les meilleures institutions mondiales. Ecole leader dans l’enseignement supérieur et la recherche, CentraleSupélec constitue un pôle de référence dans le domaine des sciences de l’ingénierie et des systèmes. Elle a cofondé l’Université Paris-Saclay en 2020 et préside le Groupe des Écoles Centrale (CentraleSupélec, Centrale Lyon, Centrale Lille, Centrale Nantes et Centrale Méditerranée) qui opère les implantations internationales (Pékin (Chine), Hyderabad (Inde), Casablanca (Maroc)).

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