Modulateurs spatiaux de lumière tout-optique destinés à la conception de nouveaux processeurs basés sur des systèmes dynamiques complexes

Optically addressed spatial light modulators as generic dynamical systems for novel computing substrates

• Auteur / Autrice : Vladimir Semenov
• Direction : Daniel Brunner, Laurent Larger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation : Université ouverte de Franche-Comté
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST - FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Maxime Jacquot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serhiy Yanchuk
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Kathy Lüdge, Tomasz Kapitaniak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bifurcation, Théorie de la

Réseaux de diffraction

Mots clés libres

Réseau de neurones optique

Modulation spatiale de la lumière

Bifurcations

Optical neural networks

Spatial light modulation

Bifurcations

Résumé

Dans cette thèse, nous montrons que l'illumination cohérente et incohérente d'un OASLM soumis à une rétroaction optique permet d'implémenter une large gamme de réseaux d'oscillateurs non linéaires couplés présentant des scénarios de bifurcation très diversifiés mais ajustables. Nous dérivons analytiquement les conditions de mise en œuvre de bifurcations d'états stables, de type fourche, transcritiques ou nœud-col, sans modifier les systèmes étudiés et simplement en réglant les intensités optiques relatives de notre illumination bicolore à deux longueurs d’onde laser.Les systèmes bistables spatialement étendus peuvent se structurer en domaines spatiaux comprenant l'un ou l'autre état d'équilibre, de telle sorte que les fronts séparant les domaines se déplacent et que l'un ou l'autre état envahit asymptotiquement dans le temps tout l'espace disponible. En utilisant un modèle spatial d’OASLM, nous démontrons que les bifurcations de type fourche et nœud-col permettent de contrôler la vitesse et la direction de la propagation du front d'onde dans les systèmes bistables étendus spatialement. En outre, les conditions de bifurcation fourche permettent de contrôler la symétrie des systèmes bistables et nous les utilisons pour émuler des réseaux de spin basés sur la dynamique de l'OASLM autonome. En particulier, en exploitant les symétries expérimentales, nous simplifions les équations du système correspondant et nous démontrons qu’un tel système optique utilisant un OASLM permet de réaliser une machine d'Ising. A l’aide de caractérisations expérimentales d'un OASLM particulier basé sur des cristaux liquides nématiques et des films vitreux amorphes nanométriques de trisulfure d'arsenic (a-As2S3) chalcogénure, nous constatons qu'un tel système est capable de mettre en œuvre jusqu'à 10000 nœuds par mm2 en ne nécessitant des intensités d'éclairage que de 10 nW/mm2 à 450 nm. Avec de telles caractéristiques, les OASLM apparaissent comme des candidats très prometteurs pour la mise en œuvre de réseaux neuronaux photoniques autonomes réalisant de nouvelles architectures de calcul optique à très faible consommation d'énergie.

In this thesis, we show that coherent and incoherent illumination of an OASLM subjected to optical feedback allows to implement a wide range of nonlinear oscillator networks exhibiting highly diverse yet tunable bifurcation scenarios. We analytically derive the conditions for implementing pitchfork, transcritical and saddle-node bifurcations of steady states without modifying the systems under study, and by simply tuning the relative optical intensities of our two-color illumination.Bistable spatially-extended systems can evolve into spatial domains comprising of either steady state, such that fronts separating the domains move and either state invades the entire available space. Using an OASLM spatial model, we demonstrate that the pitchfork and saddle-node bifurcations allow to control the speed and direction of the wave-front propagation in bistable spatially-extended systems. In addition, the pitchfork bifurcation conditions provide for controlling the symmetry of bistable systems and we use this to emulate spin-networks based on the autonomous OASLM's dynamics. In particular, leveraging experimental symmetries, we simplify the corresponding system equations and demonstrate that OASLM-based setups allow for the implementation of an Ising machine. Through experimental characterizations of a particular OASLM based on nematic liquid crystal and nano-scale amorphous arsenic trisulfide (a-As2S3) chalcogenide glassy films, we find that such a system is capable to implement up to 10000 nodes per mm2, requiring illumination intensities as low as 10 nW/mm2 at 450 nm. Thus, OASLMs appear as promising candidates for implementing autonomous photonic neural networks and novel next generation optical computing architectures with ultra-low energy consumption.