DOSSIER
Le plein d'énergies

Physique des matériaux

Des balles de lumière

Vladimir SKARKA, Professeur, chercheur au LPhiA, Laboratoire de photonique de l’Université d’Angers
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L a recherche en « optique non linéaire » a récemment révolutionné le domaine des télécoms, avec notamment le développement de lignes de communication à longue distance fondées sur le concept de « soliton temporel » : une seule fibre optique de ces lignes supporte un flux de données de l’ordre du térabit (mille milliards de bits) par seconde. Les progrès ainsi obtenus en termes de qualité de transmission des signaux laser permettent de s’affranchir d’une partie des systèmes-relais qui redressent et amplifient les signaux altérés et qui sont coûteux en argent et en temps de communication. Un soliton temporel, porteur d’un bit d’information (0 ou 1), est une impulsion (paquet d’ondes) électromagnétique ultra brève, de l’ordre de 10-12 seconde, qui se propage dans les fibres optiques sans s’étaler dans le temps (elle reste de même durée). C’est un peu comme si quelques vagues se suivaient sans se déformer dans le sens de leur propagation.

Il existe aussi des solitons spatiaux, qui résistent au phénomène de diffraction (élargissement du faisceau laser). En théorie, il existe même des solitons spatiotemporels, ou « balles de lumière », qui sont confinés à la fois dans l’espace et dans le temps. Ces phénomènes de « confinement auto-organisé » de la lumière découlent d’un équilibre entre les interactions lumière-matière qui tendent à étaler le signal et celles qui tendent à le resserrer.

En théorie, ces différents solitons conservent leur énergie ; dans la réalité, tout processus physique provoque une dissipation plus ou moins grande de l’énergie, qui n’est pas une perte véritable mais une transformation, par exemple sous forme de chaleur. La réalisation de balles de lumière conservant leur énergie lumineuse constituerait donc un cas exceptionnel. Afin d’y parvenir, nous nous sommes rendu compte qu’il fallait chercher à concevoir des solitons dont la dissipation d’énergie soit compensée par des gains. Il s’agit d’autoorganiser la lumière grâce à un matériau approprié : en le traversant, la lumière modifie ce matériau qui, à son tour, modifie la lumière. Les matériaux que nous étudions actuellement sont des nanocomposites, tels que du silicium poreux nanostructuré (cf. Des nanotrous fertiles) contenant des polymères organiques, dont les propriétés d’absorption et d’émission de photons (des ondes) sont propices à l’auto-organisation recherchée. La complexité des équations qui décrivent la propagation de la lumière dans les matériaux empêche de les résoudre exactement. C’est pourquoi nous combinons un travail mathématique de résolution approchée avec des simulations numériques menées sur ordinateur. Nous avons pu ainsi montrer la possibilité de réaliser des balles de lumières et des solitons spatiaux « vortex » (qui tournent sur eux mêmes) dont les pertes énergétiques sont nulles. La mise au point de matériaux ad hoc permettrait de développer des systèmes de communication « tout optique » de performances optimales.

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