Spatial instabilities in a Kerr medium: Arrays of spatial solitons and symmetry breaking of multimode solitons in a planar waveguide
Instabilités spatiales en milieu de Kerr : réseaux de solitons spatiaux et brisure de symétrie des solitons multimodes dans un guide plan
Résumé
This thesis dealt with a theoretical and experimental study of spatial transverse instabilities arising from the nonlinear interaction of coherent electromagnetic waves with a homogeneous and isotropic Kerr medium in a planar-waveguide configuration — i.e. a transversally one-dimensional configuration or (1+1)D. The goal of this work was to improve the understanding of those phenomena related to solitonic propagation of light in Kerr media. Furthermore, our research is also in line with applied purposes, the high potential of such self-induced and reconfigurable waveguides being great in all-optical and ultrafast signal processing. The major part of our work has been devoted to the process of spatial modulation instability in picosecond pulsed regime. Intrinsically linked to a nonlinear variation of the index of refraction via the optical Kerr effect, this instability can be brought under control in planar-waveguide geometry, thus creating periodic arrays of optically controllable soliton-like beams. Each soliton of the array constitutes a dynamic and self-induced graded-index waveguide. This work dealt both with the generation and the stabilization of such arrays, in view to applications in all-optical and ultrafast parallel information processing. A phenomenological study of spontaneous (arising from the spatial noise superimposed to the incident wave) or induced (from a low-contrast interference pattern) modulation instability has been realized with a planar waveguide of carbon disulfide (CS2) at a 532-nm wavelength. We have shown for the first time to our knowledge the generation and control of arrays of spatial solitons, the stability of which, both transversally and upon propagation, was ensured by the temporal relaxation of molecular reorientation that is responsible for the optical Kerr effect in CS2. Moreover, this inertia of the nonlinear response causes a novel spatiotemporal dynamic, which is responsible for the appearance of a spatially-interleaved secondary array during the pulse duration. A few applications of such soliton arrays, like multiple waveguiding or routing, have finally been discussed. The second part of this thesis was driven in collaboration with the Service d'optique et acoustique from the université libre de Bruxelles. Using a particular arrangement of polarization and individual profiles of a pair of soliton beams, we have demonstrated for the first time experimentally, the propagation of a bound state of such solitons along with its sharp and random symmetry-breaking instability. This instability originates from the strong cross-phase modulation experienced by the soliton pair in the CS2 waveguide and was initiated by noise fluctuations of the laser source used in the experiment. Beyond the universal character of such instability, this preliminary study opens up the way to a possible application to all-optical and ultrafast switching at an arbitrary low power of command.
Cette thèse a porté sur l'étude théorique et expérimentale d'instabilités spatiales transverses liées à l'interaction non linéaire d'ondes électromagnétiques cohérentes avec un milieu de Kerr homogène et isotrope en configuration guidée planaire — c'est-à-dire une configuration unidimensionnelle transverse ou (1+1)D. L'objectif a été d'améliorer la compréhension de certains phénomènes lumineux liés à la propagation solitonique en milieux de Kerr. En outre, notre recherche s'est inscrite dans une perspective tout autant appliquée que fondamentale, étant donné le fort potentiel de ces guides d'ondes auto-induits et reconfigurables que sont les solitons Kerr en traitement tout-optique et ultrarapide de l'information. La majeure partie de notre travail a été consacrée au processus d'instabilité de modulation spatiale en régime impulsionnel picoseconde. Intrinsèquement liée à une variation non linéaire de l'indice de réfraction via l'effet Kerr optique, cette instabilité est maîtrisable en propagation dans un guide plan et permet de créer des réseaux périodiques de faisceaux quasi-solitons, reconfigurables optiquement. Chaque soliton du réseau constitue alors un guide d'onde à gradient d'indice, dynamique et auto-induit. Ce travail a porté à la fois sur la génération et sur la stabilisation en propagation de tels réseaux, en vue d'applications au traitement parallèle optique ultrarapide de l'information. Une étude phénoménologique complète de l'instabilité de modulation spontanée (démarrant à partir du bruit spatial superposé à l'onde incidente) ou induite (par une modulation interférentielle de faible contraste) a été réalisée dans un guide plan de disulfure de carbone (CS2) à la longueur d'onde de 532 nm. Nous y avons montré pour la première fois la génération et le contrôle de réseaux de solitons spatiaux, dont la stabilité à la fois transverse et en propagation, bien que non prévue par les modèles théoriques usuels, a pu être assurée par l'inertie temporelle de la réorientation moléculaire responsable de l'effet Kerr optique dans le CS2. Par ailleurs, cette inertie de la réponse non linéaire provoque une dynamique spatio-temporelle nouvelle, responsable de l'apparition, le long de l'impulsion, d'un réseau secondaire intercalé spatialement. Quelques applications de tels réseaux de solitons, comme le guidage multiple et l'adressage, ont enfin été discutées. Le deuxième volet de cette thèse a été effectué dans le cadre d'une collaboration avec le Service d'optique et acoustique de l'université libre de Bruxelles. En utilisant une disposition particulière de la polarisation et des profils individuels d'une paire de faisceaux solitons, nous avons démontré pour la première fois expérimentalement, tout d'abord la propagation d'un état lié de ces solitons puis sa déstabilisation brutale et aléatoire par une instabilité de brisure de symétrie. Nous avons pu confirmer que l'instabilité est initiée par les fluctuations incontrôlables de l'amplitude de bruit de la source laser utilisée. Cette instabilité provient de la forte intermodulation de phase subie par la paire de solitons dans le guide CS2. Au-delà du caractère universel d'une telle instabilité, cette étude préliminaire permet d'envisager une possible application de commutation tout-optique et ultrarapide à puissance de commande arbitrairement faible.
Mots clés
Nonlinear optics
guided-wave optics
optical Kerr effect
spatial solitons
noninstantaneous nonlinearity
molecular reorientation
spatiotemporal dynamic
self-induced waveguides
modulation instability
symmetry-breaking instability
reconfigurable all-optical signal processing.
Optique non linéaire
optique guidée planaire
effet Kerr optique
solitons spatiaux
non-linéarité non instantanée
réorientation moléculaire
dynamique spatio-temporelle
guides auto-induits
instabilité de modulation
instabilité de brisure de symétrie
traitement tout-optique reconfigurable de l'information.
traitement tout-optique reconfigurable de l'information