FR3123163A1 - Dispositif laser impulsionnel comportant une source laser hybride à déclenchement optique actif, pour réseau de neurones artificiels photoniques - Google Patents

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Abstract

L’invention porte sur un dispositif laser impulsionnel comportant : une source laser impulsionnelle 10 hybride, comportant une section à gain 12 et une section absorbante saturable 13 qui reposent sur un substrat photonique 20 ;un dispositif optique d’excitation 30, comportant une source émettrice 31 d’impulsions optiques d’excitation couplée à la section absorbante saturable 13 sans être couplée à la cavité optique, l’intensité de l’impulsion optique d’excitation étant adaptée à saturer la section absorbante saturable 13 et à provoquer l’émission d’une impulsion laser. Figure pour l’abrégé : Fig.2A

Description

Dispositif laser impulsionnel comportant une source laser hybride à déclenchement optique actif, pour réseau de neurones artificiels photoniques
Le domaine de l’invention est celui de la photonique neuromorphique à base de réseaux de neurones impulsionnels. L’invention porte plus précisément sur un dispositif laser impulsionnel comportant une source laser impulsionnelle formant un neurone artificiel photonique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le calcul neuromorphique est actuellement en fort développement, notamment pour répondre aux attentes du traitement intensif de données. Pour cela, les réseaux de neurones artificiels (ANN pourArtificial Neural Network) ont montré leur puissance et leur efficacité. De tels neurones artificiels peuvent être réalisés à partir de sources laser impulsionnelles sur des puces photoniques, de sorte que l’on parle de photonique neuromorphique et de neurones photoniques impulsionnels (spiking photonic neuron, en anglais).
Une présentation générale des neurones photoniques impulsionnels peut se trouver notamment dans l’article de Shastri et al. intituléPrinciples of Neuromorphic Photonics, arXiv:1801.00016, 2018. Comme l’illustre la , un neurone photonique impulsionnel comporte : un ensemble de ports d’entrée, fournissant chacun un signal d’entrée xiavec i allant de 1 à m, chaque signal d’entrée xiétant pondéré par un poids wide signe positif ou négatif ; et un combineur effectuant la somme des signaux d’entrée pondérés wixi, associé à une fonction d’activation. Le neurone artificiel fournit un signal de sortie y lorsque la somme des signaux d’entrée pondérés dépasse un seuil prédéfini. Dans le cas des neurones photoniques impulsionnels, le signal de sortie est une impulsion optique (spikeen anglais). A la suite de l’émission d’une impulsion optique par le neurone photonique impulsionnel, celui-ci entre dans une période dite réfractaire (refractory period, en anglais), dans laquelle il n’émet pas d’impulsions optiques de sortie, quels que soient les signaux d’entrée.
De tels neurones photoniques impulsionnels peuvent être classés en deux catégories : une première catégorie dite ‘tout optique’ dans laquelle les signaux d’entrée restent dans le domaine optique jusqu’à la source laser ; et une deuxième catégorie dite ‘optique/électrique/optique’ (O/E/O) dans laquelle les signaux d’entrée passent du domaine optique au domaine électrique, pour revenir au domaine optique.
L’article de Robertson et al. intituléUltrafast optical integration and pattern classification for neuromorphic photonics based on spiking VCSEL neurons, Sci Rep. 2020 Apr 8;10:6098 décrit un neurone photonique impulsionnel de type tout optique. Il est formé d’une source laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL pourVertical Cavity Surface Emitting Laseren anglais) couplée à une source laser d’excitation. L’impulsion optique d’excitation doit présenter une longueur d’onde décalée vis-à-vis de celle de la longueur d’onde de la cavité optique de la source VCSEL. De plus, les impulsions optiques d’excitation doivent être inversées, dans le sens où c’est la diminution brutale de la puissance optique incidente qui peut provoquer l’excitation du neurone que forme la source VCSEL. Ce neurone photonique impulsionnel présente donc l’inconvénient de nécessiter plusieurs dispositifs optoélectroniques pour l’inversion des impulsions optiques, ainsi que pour le contrôle strict de l’écart entre les longueurs d’onde.
Par ailleurs, l’article de Peng et al. intituléNeuromorphic Photonic Integrated Circuits, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 24, no. 6, 2018, décrit un neurone photonique impulsionnel de type O/E/O. Celui-ci comporte une source laser impulsionnelle à rétroaction distribuée (DFB pourDistributed Feedback) dont le milieu semiconducteur comporte deux sections électriquement isolées l’une de l’autre, à savoir une section à gain (milieu à gain) et une section de type à absorbant saturable. Le déclenchement de la source laser est alors commandé à partir d’impulsions optiques converties en impulsions électriques par une paire de photodiodes puis injectées dans la section à gain. Ces impulsions électriques forment des signaux synaptiques excitateurs ou inhibiteurs. Cependant, les conversions O/E peuvent générer des pertes supplémentaires qui peuvent réduire la bande passante du neurone photonique impulsionnel ainsi que l’intensité ou la puissance de l’impulsion laser émise. De plus, les paires de photodiodes complexifient le circuit de déclenchement et réduisent la densité surfacique du réseau de neurones photoniques.
L’invention a pour but de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et de proposer un dispositif laser impulsionnel comportant une source laser impulsionnelle hybride, par exemple de technologie III-V sur silicium, et formant un neurone artificiel photonique à déclenchement actif optique (i.e. tout optique).
Pour cela, l’objet de l’invention est un dispositif laser impulsionnel pour réseau de neurones artificiels photoniques, comportant une source laser impulsionnelle comportant :
  • une cavité optique, définissant un axe longitudinal ;
  • un milieu semiconducteur comportant des puits quantiques, situé dans la cavité optique, comportant au moins une section à gain et au moins une section absorbante saturable, agencées suivant l’axe longitudinal et électriquement isolées l’une de l’autre, la section absorbante saturable présentant une variation du coefficient de transmission en fonction d’une intensité optique incidente telle que la cavité optique présente des pertes optiques qui sont supérieures ou égales à une première valeur αmaxlorsque la section absorbante saturable n’est pas éclairée, et inférieures ou égales à une deuxième valeur αmininférieure à αmaxlorsque la section absorbante saturable est éclairée et saturée ;
  • une source électrique, adaptée à appliquer une polarisation en direct à la section à gain par un courant électrique d’intensité prédéfinie, et à appliquer une polarisation nulle ou en inverse à la section absorbante saturable.
Selon l’invention, le dispositif laser impulsionnel comporte :
  • un substrat photonique, comportant des guides d’onde dont un guide d’onde longitudinal participant à définir la cavité optique, la source laser impulsionnelle étant une source laser hybride dont le milieu semiconducteur repose sur le substrat photonique et est couplé au guide d’onde longitudinal ;
  • un dispositif optique d’excitation, comportant : une source émettrice adaptée à émettre au moins une impulsion optique d’excitation d’intensité prédéfinie ; et un guide d’onde latéral, intégré dans le substrat photonique, couplé optiquement à la section absorbante saturable pour transmettre l’impulsion optique d’excitation, de manière inclinée vis-à-vis de l’axe longitudinal dans un plan XY de manière à éviter un couplage optique avec la cavité optique.
De plus, l’intensité du courant électrique et l’intensité de l’impulsion optique d’excitation sont prédéfinies de sorte que le milieu semiconducteur présente, en régime stationnaire, une valeur maximale gmaxde gain :
  • inférieure à la première valeur αmaxde pertes optiques lorsque la section absorbante saturable n’est pas éclairée par l’impulsion optique d’excitation, de sorte que la source laser impulsionnelle n’émet pas d’impulsion laser ;
  • supérieure ou égale à la deuxième valeur αmindes pertes optiques lorsque la section absorbante saturable, éclairée par l’impulsion optique d’excitation, est saturée, assurant ainsi l’émission d’une impulsion optique par la source laser impulsionnelle.
Certains aspects préférés, mais non limitatifs de ce dispositif laser impulsionnel sont les suivants.
Le dispositif laser impulsionnel peut comporter un dispositif optique d’inhibition comportant : une source émettrice adaptée à émettre au moins une impulsion optique d’inhibition d’intensité prédéfinie de sorte que le milieu semiconducteur présente, lorsque la section à gain reçoit l’impulsion optique d’inhibition, une valeur de gain g inférieure à une valeur dite d’excitabilité gexcà partir de laquelle la section absorbante saturable, éclairée par l’impulsion optique d’excitation, est saturée ; et un guide d’onde latéral, intégré dans le substrat photonique, couplé optiquement à la section à gain pour transmettre l’impulsion optique d’inhibition, de manière inclinée dans le plan XY vis-à-vis de l’axe longitudinal de manière à éviter un couplage optique avec la cavité optique.
Le milieu semiconducteur peut être réalisé à base d’un composé semiconducteur III-V, II-VI ou à base d’un élément ou d’un composé IV.
Le substrat photonique peut être réalisé à base de silicium.
Le guide d’onde longitudinal peut s’étendre continument sous le milieu semiconducteur, ou est couplé optiquement à celui-ci par des coupleurs en pointe.
Le milieu semiconducteur peut comporter au moins deux sections à gain situées de part et d’autre de la section absorbante saturable.
La section à gain et la section absorbante saturable peuvent être des portions physiquement distantes l’une de l’autre, ou sont des zones d’un même plot que forme le milieu semiconducteur.
Le dispositif laser impulsionnel peut comporter des atténuateurs d’intensité optique disposé sur les guides d’onde latéraux et adaptés à diminuer l’intensité des impulsions optiques d’excitation et d’inhibition.
L’invention porte également sur un réseau de neurones artificiels photoniques, comportant une pluralité de dispositifs laser impulsionnels selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, dans lequel chaque source laser impulsionnelle forme un neurone artificiel photonique, les neurones artificiels photoniques étant raccordés optiquement les uns aux autres par les guides d’onde latéraux.
L’invention porte également sur un procédé d’utilisation d’un dispositif laser impulsionnel selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant les étapes suivantes :
  • polarisation en direct de la section à gain par un courant électrique d’une intensité constante prédéfinie de sorte que le gain g du milieu semiconducteur atteigne une valeur maximale gmax, et application d’une polarisation nulle ou en inverse de la section absorbante saturable ;
  • émission d’une impulsion optique d’excitation par le dispositif optique d’excitation, provoquant une émission d’une impulsion laser par la source laser impulsionnelle si le gain est au moins égal à une valeur d’excitabilité gexc;
  • émission d’une impulsion optique d’inhibition par le dispositif optique d’inhibition, empêchant l’émission d’une impulsion laser par une diminution de la valeur du gain en dessous de la valeur d’excitabilité gexc.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la , déjà décrite, est une vue schématique d’un neurone artificiel impulsionnel ;
les figures 2A à 2C sont des vues schématiques et partielles, en perspective ( ), en coupe longitudinale ( ) et en coupe transversale ( ) d’un dispositif laser impulsionnel selon un mode de réalisation ;
les figures 3 et 4 illustrent deux exemples de fonctionnement du dispositif laser impulsionnel dans le cas où seules des impulsions optiques d’excitation sont émises ( ) et dans le cas où des impulsions optiques d’inhibition sont également émises ( ), chaque figure comportant des graphes illustrant :
  • l’émission d’impulsions optiques d’excitation et le cas échéant d’impulsions optiques d’inhibition ;
  • l’évolution temporelle, en réponse, des densités de porteurs libres dans la section à gain et dans la section absorbante saturable de la source laser impulsionnelle ;
  • l’émission, en réponse, d’impulsions laser par la source laser impulsionnelle ;
la illustre de manière plus détaillée l’évolution temporelle de la densité de porteurs libres dans la section à gain, dans le cas de l’exemple de la et dans le cas de l’exemple de la ;
la est une vue schématique et partielle d’un dispositif laser impulsionnel selon un mode de réalisation, dans le cadre d’un réseau de neurones artificiels photoniques ;
les figures 7A et 7B sont des vues en perspective, schématiques et partielles, d’une section du milieu semiconducteur du dispositif laser impulsionnel selon un mode de réalisation, couplé optiquement au guide d’onde longitudinal et au guide d’onde latéral intégrés dans un substrat photonique ;
la est une vue en perspective, schématique et partielle, d’un milieu semiconducteur du dispositif laser impulsionnel selon un mode de réalisation, formé d’un même plot semiconducteur dont les différentes zones forment des sections à gain et une section absorbante saturable.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, les termes « compris entre … et … » et équivalents signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
Les figures 2A à 2C sont des vues schématiques et partielles d’un dispositif laser impulsionnel 1 selon un mode de réalisation. La est une vue en perspective, la est une vue en coupe longitudinale suivant l’axe longitudinal de la cavité optique de la source laser impulsionnelle 10, et la est une vue en coupe transversale. Comme détaillé plus loin, ce dispositif laser impulsionnel 1 forme ici une partie d’un réseau de neurones artificiels photoniques.
On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel orthogonal XYZ, où le plan XY est un plan parallèle au plan du substrat photonique 20, et où l’axe Z est orienté du substrat photonique 20 vers le milieu semiconducteur 11 de la source laser impulsionnelle 10. Par ailleurs, les termes « inférieur » et « supérieur » s’entendent comme étant relatifs à un positionnement croissant lorsqu’on s’éloigne du substrat photonique 20 suivant la direction +Z.
Le dispositif laser impulsionnel 1 comportea minima:
  • une source laser impulsionnelle 10 de type hybride ;
  • un dispositif optique d’excitation 30 adapté à provoquer l’émission d’une impulsion laser par la source laser impulsionnelle 10 ;
  • de préférence, un dispositif optique d’inhibition 40 adapté à empêcher l’émission d’une telle impulsion laser.
La source laser 10 est dite impulsionnelle dans la mesure où elle est adaptée à émettre des impulsions laser. Elle est à déclenchement actif de manière optique puisque l’émission de l’impulsion laser est déclenchée ou évitée par le biais d’impulsions optiques d’excitation et d’inhibition qui sont transmises directement jusqu’à la source laser impulsionnelle 10, sans passer par des photodiodes assurant une conversion O/E. Le déclenchement de l’émission laser ne se fait donc pas par la modulation du courant électrique de pompe. Cette source laser impulsionnelle 10 appartient ainsi à la catégorie ‘tout optique’ des sources laser impulsionnelles à mode déclenché.
Ce dispositif laser impulsionnel 1 est ici une partie d’un réseau de neurones artificiels photoniques. Plus précisément, la source laser impulsionnelle 10 forme un neurone artificiel photonique. Les guides d’onde latéraux 32, 42 sont les synapses et assurent la transmission des signaux synaptiques d’excitation et d’inhibition jusqu’à la source laser impulsionnelle 10. Comme détaillé par la suite, la source laser impulsionnelle 10 présente des propriétés propres aux neurones physiologiques, telles que l’excitabilité et la période réfractaire (décrits plus loin).
La source laser impulsionnelle 10 est de type hybride, dans le sens où elle comporte un milieu semiconducteur 11 à puits quantiques reposant sur un substrat photonique 20. La cavité optique est délimitée ici par deux réflecteurs optiques 22, ici des miroirs de Bragg (source laser de type à réflecteurs de Bragg répartis, DBR pourDistributed Bragg Reflector, en anglais), situés dans un guide d’onde intégré 21 dit longitudinal disposé dans le substrat photonique 20. Cependant, la cavité optique peut également être de type à rétroaction distribuée (DFB pourDistributed Feedback, en anglais) où un même réseau de Bragg s’étend dans le guide d’onde longitudinal sur toute la longueur de la cavité optique, voire être de type en anneau, ou à miroirs à boucle de Sagnac. La cavité optique définit un axe longitudinal suivant lequel s’étend le guide d’onde longitudinal 21.
Le substrat photonique 20 est formé d’un substrat support, et de guides d’onde intégrés 21, 32, 42 dans le substrat support. Il peut comporter d’autres composants optiques passifs (multiplexeurs ou démultiplexeurs, coupleurs à fibre optique…) et/ou des composants optiques actifs (modulateurs…), optiquement couplés les uns aux autres de manière à former un circuit photonique intégré. Le substrat photonique 20 peut être de type SOI, c’est-à-dire qu’il peut comporter une couche mince de silicium et un substrat support en silicium, entre lesquelles est intercalée une couche d’oxyde dite BOX (buried oxide, en anglais). Les guides d’onde peuvent comporter un cœur réalisé en silicium et une gaine réalisée en un oxyde de silicium. Dans cet exemple, les guides d’onde intégrés 21, 32, 42 sont de préférence des guides en arête formés d’une arête (rib, en anglais) reposant sur une base (slab, en anglais). Le guide d’onde longitudinal 21 est espacé du milieu semiconducteur 11 par une couche 23 d’oxyde de silicium d’une épaisseur locale egapde préférence constante. Sur la , la base est notée 21.1 et l’arête est notée 21.2.
Le milieu semiconducteur 11 repose sur le substrat photonique 20 et est situé dans la cavité optique. Il est couplé optiquement au guide d’onde longitudinal 21 au-dessus duquel il est situé. Il est réalisé en un composé semiconducteur, ici de type III-V, mais peut être réalisé à base d’un composé semiconducteur II-VI, voire à base d’un élément ou d’un composé IV comme par exemple à base de germanium. Les termes III-V, II-VI et IV font références aux colonnes du tableau périodique des éléments. Dans cet exemple, il comporte une couche semiconductrice 11.2 contenant des puits quantiques multiples, par exemple réalisés en InGaAsP ou de AlGaInAs avec un maximum de gain par exemple centré sur la longueur d’onde de l’impulsion laser. La couche de puits quantiques 11.2 est encadrée suivant l’axe Z par des couches semiconductrices dopées, par exemple réalisées en InP, ici par une couche inférieure 11.1 dopée n et par une couche supérieure 11.3 dopée p. Aussi, le milieu semiconducteur 11 comporte une jonction PIN qui s’étend longitudinalement dans le plan XY. Le milieu semiconducteur 11 forme un guide d’onde dit actif couplé ici au guide d’onde longitudinal 21.
Le milieu semiconducteur 11 est formé d’au moins une section d’amplification optique 12 (dite section à gain), et d’au moins une section absorbante saturable 13. Dans cet exemple, le milieu semiconducteur 11 comporte une section à gain 12 et une section absorbante saturable 13, mais elle peut comporter deux sections à gain situées de part et d’autre d’une section absorbante saturable 13 (cf. ), voire davantage. Elle peut comporter davantage de sections à gain et de sections absorbantes saturables. Ces sections 12, 13 sont agencées relativement l’une à l’autre sur l’axe longitudinal de la cavité optique. De plus, elles sont électriquement isolées l’une de l’autre de sorte que le pompage électrique d’une section ne modifie pas la densité de porteurs libres de l’autre section. Enfin, ces sections peuvent être des plots physiquement séparés les uns des autres (cf. et 2B), ou peuvent être des zones électriquement isolées d’un même plot (cf. ).
La section à gain 12 est le lieu principal de l’amplification optique du mode optique présent dans la cavité optique. Elle est formée du milieu à gain de la source laser impulsionnelle 10, formé ici par le composé semiconducteur à base d’InP. Elle est connectée électriquement à une source électrique de polarisation (non représentée), qui assure la polarisation en direct de la section à gain 12. L’intensité du courant de pompe est définie de sorte que le gain g du milieu semiconducteur 11 atteigne, en régime stationnaire, une valeur maximale constante gmax. Le gain g est, de manière connue, corrélé à la densité nGde porteurs libres injectés dans la section à gain 12 par la source électrique (pompage électrique). Par ailleurs, le régime stationnaire correspond, comme détaillé plus loin, au régime où le gain est maximal et constant et où aucune impulsion optique n’est reçue par la section à gain 12 et par la section absorbante saturable 13 (les pertes optiques dans la cavité optique sont alors suffisamment élevées pour empêcher l’émission d’une impulsion laser). Ici, les pertes optiques sont essentiellement associées au coefficient de transmission du matériau de la section absorbante saturable 13.
La section absorbante saturable 13 présente une fonction d’obturateur optique commandable. De manière connue, un absorbant saturable est un milieu dont le coefficient de transmission optique, à la longueur d’onde de l’émission laser, varie en fonction de l’intensité optique incidente. Ainsi, la transmission est faible voire négligeable aux faibles intensités optiques incidentes, tandis qu’elle est élevée aux fortes intensités optiques (le matériau devient alors transparent). La section absorbante saturable 13 peut alors occuper deux états principaux et un état intermédiaire :
  • un état au repos, dit état bloquant, lorsque l’intensité optique incidente est faible. Dans cet état, le coefficient de transmission est faible de sorte que les pertes optiques dans la cavité optique sont élevées, au moins égales à une valeur αmaxprédéfinie ;
  • un état passant, lorsque l’intensité optique incidente est élevée. Dans cet état, le coefficient de transmission est élevé (le matériau est transparent à la longueur d’onde de l’émission laser) de sorte que les pertes optiques sont faibles, au plus égales à une valeur αminprédéfinie. On dit que le matériau est saturé.
  • un état intermédiaire, pour lequel les pertes optiques sont comprises entre αminet αmax(valeurs non inclus). Le matériau est alors soumis à un faisceau lumineux incident, mais n’est pas saturé.
Dans cet exemple, la section absorbante saturable 13 présente une hétérostructure identique à celle de la section à gain 12 en termes de matériau et de dopage. Par ailleurs, la section absorbante saturable 13, à la différence de la section à gain 12, n’est pas polarisée en direct, mais est polarisée soit en inverse soit avec une différence de potentiel nulle. Enfin, elle présente avantageusement une longueur suivant l’axe longitudinal inférieure à celle de la section à gain 12 (et le cas échéant à la longueur cumulée des sections à gain), et de préférence présente une longueur comprise entre 2% et 10% environ de cette longueur cumulée. Ainsi, la section absorbante saturable 13 présente une dynamique de saturation/désaturation propice à l’émission d’impulsions laser particulièrement courtes et intenses.
A titre d’exemple, l’hétérostructure de la section à gain 12 et de la section absorbante saturable 13 est formée d’une couche semiconductrice inférieure 11.1 en InP dopé n d’une épaisseur de 150nm. Elle comporte une couche semiconductrice 11.2 à puits quantiques à base de AlGaInAs d’une épaisseur de 300nm, et une couche semiconductrice supérieure 11.3 en InP d’une épaisseur de 2µm environ. La longueur de la section à gain 12 peut être égale à 600 µm et celle de la section absorbante saturable 13 peut être égale à 20 µm.
La source électrique de polarisation assure donc la polarisation en direct de la section à gain 12 (pompage électrique) et applique ici une polarisation nulle à la section absorbante saturable 13 (ISA=0mA). En variante, elle peut lui appliquer une polarisation en inverse. La source électrique transmet un courant électrique continu dans la section à gain 12 dont l’intensité est prédéfinie de sorte que le gain tende vers une valeur stationnaire maximale gmaxdu gain. Cette valeur maximale gmaxest inférieure aux pertes optiques αmaxlorsque la section absorbante saturable 13 occupe l’état bloquant (ici lorsqu’elle n’est pas éclairée par une impulsion optique provenant du dispositif optique d’excitation 30 et de puissance suffisante pour rendre la section 13 transparente), de manière à éviter l’émission d’un signal laser continu.
Ainsi, à titre d’exemple, le courant électrique de seuil peut être égal à 16mA, valeur pour laquelle le gain gth(supérieur à la valeur gmax) équilibre les pertes optiques élevées αmaxde la section absorbante saturable 13 à l’état bloquant, provoquant ainsi l’émission d’une succession d’impulsions laser. Aussi, pour être en mesure de « déclencher » de manière active l’émission d’une impulsion laser, on définit la valeur du courant électrique de pompe à une valeur inférieure à ce courant de seuil, par exemple à 15mA environ, pour que la valeur maximale gmaxdu gain en régime stationnaire soit bien inférieure à la valeur seuil gthet n’équilibre donc pas les pertes optiques maximales αmax. En revanche, comme détaillé plus loin, la valeur gmaxdu gain est suffisamment élevée pour être au moins égale aux pertes optiques αminlorsque la section absorbante saturable 13 occupe l’état passant (ici lorsqu’elle est éclairée par une impulsion optique provenant du dispositif optique d’excitation 30).
Le dispositif optique d’excitation 30 comporte une source émettrice adaptée à émettre une impulsion optique dite d’excitation, et un guide d’onde dit latéral permettant de transmettre l’impulsion optique d’excitation jusqu’à la section absorbante saturable 13. Ce guide d’onde latéral est intégré dans le substrat photonique 20 et est couplé optiquement à la section absorbante saturable 13 sans pour autant être couplé optiquement à la cavité optique. Pour cela, le guide d’onde latéral est couplé à la section absorbante saturable 13 de manière inclinée dans le plan XY vis-à-vis de l’axe longitudinal. Aussi, les photons de l’impulsion optique d’excitation, non absorbés par la section absorbante saturable 13, ne se propagent pas suivant l’axe longitudinal dans la cavité optique. Dans cet exemple, l’angle d’inclinaison formée par le guide d’onde latéral vis-à-vis de l’axe longitudinal, au niveau de la section absorbante saturable 13, est par exemple compris entre 60° et 120°. Dans cet exemple, il est égal à 90° environ.
L’impulsion optique d’excitation présente une intensité optique prédéfinie et une longueur d’onde ici égale à la longueur d’onde de l’oscillation laser (comprise dans le spectre d’absorption de la section 13). Elle peut provoquer l’émission d’une impulsion laser par la source laser impulsionnelle 10 lorsque le gain présente sa valeur stationnaire maximale gmax. Comme détaillée par la suite, le fait que le gain présente cette valeur maximale gmaxtraduit le fait que la source laser impulsionnelle 10 est effectivement en mesure d’émettre une impulsion laser : elle est alors sortie d’une période dite réfractaire (refractory period, en anglais) au cours de laquelle elle n’est pas en mesure d’émettre une impulsion laser, quand bien même elle aurait reçu une impulsion optique d’excitation.
Autrement dit, lorsque la section absorbante saturable 13 n’est pas éclairée par l’impulsion optique d’excitation, elle présente une transmission minimale se traduisant par des pertes optiques maximales αmax. Le courant de pompe injecte une densité de porteurs libres dans la section à gain 12 se traduisant par, en régime stationnaire, une valeur maximale gmaxde gain. Cette valeur maximale gmaxest inférieure à une valeur seuil gthqui équilibrerait les pertes optiques maximales αmaxde la section absorbante saturable 13 et provoquerait l’émission d’un signal laser. Aussi, en régime stationnaire, la source laser impulsionnelle 10 ne reçoit pas d’impulsion optique d’excitation et elle n’émet donc pas d’impulsion laser.
En revanche, lorsque la section absorbante saturable 13 est saturée, elle présente une transmission maximale, se traduisant par des pertes optiques minimales αmin. La valeur maximale gmaxdu gain est alors au moins égale à la valeur minimale αmindes pertes optiques, de sorte que, lorsque la section à absorbante saturable est éclairée par l’impulsion optique d’excitation et qu’elle est saturée, la source laser impulsionnelle 10 émet alors une impulsion optique.
Le dispositif laser impulsionnel 1 comporte avantageusement un dispositif optique d’inhibition 40. Celui-ci comporte une source émettrice adaptée à émettre une impulsion optique dite d’inhibition, et un guide d’onde latéral permettant de transmettre l’impulsion optique d’inhibition jusqu’à la section à gain 12. Ce guide d’onde latéral est également intégré dans le substrat photonique 20 et est couplé optiquement à la section à gain 12 sans pour autant être couplé optiquement à la cavité optique. Pour cela, comme pour le guide d’onde latéral 42, le guide d’onde latéral est couplé à la section à gain 12 de manière inclinée dans le plan XY vis-à-vis de l’axe longitudinal. Aussi, les photons de l’impulsion optique d’inhibition ne se propagent pas suivant l’axe longitudinal dans la cavité optique. Dans cet exemple, l’angle d’inclinaison est compris entre 60° et 120°, et est ici égal à 90° environ.
L’impulsion optique d’inhibition présente une intensité optique prédéfinie et ici une longueur d’onde égale à celle de l’oscillation laser. Elle peut permettre d’éviter l’émission d’une impulsion laser par la source laser impulsionnelle 10. Pour cela, comme détaillé plus loin, une telle impulsion optique reçue par la section à gain 12 provoque une diminution de la valeur du gain, qui présente alors une valeur transitoire inférieure à la valeur maximale gmax, mais également inférieure à une valeur gexcdite d’excitabilité à partir de laquelle la source laser impulsionnelle 10 peut émettre une impulsion laser lorsque la section absorbante saturable 13 reçoit l’impulsion optique d’excitation et qu’elle est saturée.
Autrement dit, lorsque le gain présente une valeur, en régime stationnaire, supérieure ou égale à la valeur d’excitabilité gexc,mais inférieure à la valeur seuil gth(et donc inférieure aux pertes optiques maximales αmax), la source laser impulsionnelle 10 émet, ou non, une impulsion laser selon que la section absorbante saturable 13 reçoit, ou non, une impulsion optique d’excitation. En revanche, lorsque le gain présente une valeur transitoire inférieure à la valeur d’excitabilité gexc, la source laser impulsionnelle 10 n’émet pas une impulsion laser, quand bien même la section absorbante saturable 13 recevrait une impulsion optique d’excitation.
On peut donc résumer le fonctionnement du déclenchement de la source laser par le tableau ci-dessous, selon que la section absorbante saturable 13 est éclairée ou non par une impulsion optique d’excitation, et selon que la source laser se trouve dans un régime d’excitabilité ou non :
Hors du régime d’excitabilité :
g < gexc 		Régime d’excitabilité :
gexc≤ g ≤ gmax
Excitation
(émission d’une impulsion optique d’excitation)		 Pertes optiques αmin< α < αmax(pas de saturation – état intermédiaire)
Pas d’impulsion laser		 Pertes optiques α ≤ αmin(saturation – état passant)
Emission d’une impulsion laser
Pas d’excitation
(pas émission d’une impulsion optique d’excitation)		 Pertes optiques αmax≤ α
(état bloquant)
Pas d’impulsion laser		 Pertes optiques αmax≤ α
(état bloquant)
Pas d’impulsion laser
On comprend que le non-régime d’excitabilité de la source laser impulsionnelle 10 correspond notamment à deux situations. Une première situation correspond à la période réfractaire : le gain, sous l’effet du courant de pompe, progresse, mais n’a pas encore atteint une valeur notée gexc. Dans ce cas, le gain n’est pas suffisant pour participer, avec l’impulsion optique d’excitation, à saturer la section absorbante saturable 13 et donc à permettre l’émission d’une impulsion laser. Une deuxième situation correspond à l’inhibition : la période réfractaire est terminée, mais l’impulsion optique d’inhibition provoque une diminution du gain qui passe en dessous de la valeur gexcet donc provoque une sortie du régime d’excitabilité. Là aussi, le gain n’est plus suffisant pour participer à saturer la section absorbante saturable 13 et donc à permettre l’émission de l’impulsion laser.
On retrouve ainsi ce comportement des neurones physiologiques en termes d’excitabilité et en termes de période réfractaire. Le neurone reste au repos lorsqu’il n’est pas excité. Il n’émet pas de signal lorsqu’il est dans la période réfractaire (à la suite de l’émission d’un signal), et peut émettre un signal lorsqu’il est sorti de la période réfractaire et qu’il est excité par des signaux d’intensité suffisante.
A ce titre, les figures 3 et 4 illustrent deux exemples de fonctionnement du dispositif laser impulsionnel 1. Dans l’exemple de la , seules des impulsions optiques d’excitation sont émises (pas d’impulsions optiques d’inhibition), alors que dans l’exemple de la , une impulsion optique d’inhibition est émise. Dans ces deux figures, le graphe du haut montre l’émission des impulsions optiques d’excitation et d’inhibition (nombre de photons Nph,Get Nph,SAen fonction du temps), le graphe du milieu montre l’évolution temporelle de la densité de porteurs libres dans la section à gain 12 nGet dans la section absorbante saturable 13 nSA, et le graphe du bas montre l’émission des impulsions laser qui en résultent (puissance optique Pouten fonction du temps).
Ces courbes sont obtenues à partir d’un modèle physique du dispositif laser impulsionnel 1, inspiré du modèle SIMPEL décrit dans l’article de Shastri et al. intituléSIMPEL : Circuit model for photonic spike processing laser neurons, Opt. Express 23, 8029 (2015). Ce modèle décrit le fonctionnement d’une source laser impulsionnelle 10 qui comporte une section à gain 12 et une section absorbante saturable 13, à partir d’équations d’évolution qui décrivent les interactions entre les porteurs libres et les photons présents dans la cavité optique. Dans ce modèle physique, les équations d’évolution peuvent s’écrire :
Dans ces équations, les termes nGet nSAsont respectivement les densités de porteurs libres dans la section à gain 12 et dans la section absorbante saturable 13, et Nphest le nombre de photons présents dans la cavité optique. Ces termes dépendent notamment du nombre Nph,SAde photons injectés dans la section absorbante saturable 13 (impulsion optique d’excitation), et du nombre Nph,Gde photons injectés dans la section à gain 12 (impulsion optique d’inhibition).
Le sens physique des différentes contributions est décrit dans l’article de Shastri et al. 2015. Notons que ce modèle diffère de celui de cet article en ce qu’il n’y a pas ici de modulation du courant électrique de pompe dans la section à gain 12, et que ces équations tiennent compte de l’injection de photons dans la section absorbante saturable 13 (terme Nph,SA) et dans la section à gain 12 (terme Nph,G).
Par ailleurs, ηi,Gest l’efficacité d’injection du courant électrique dans la section à gain 12, IGest l’intensité du courant électrique de pompe dans la section à gain 12, e est la charge élémentaire, VG, VSAest le volume de la section considérée, τG, τSAest le temps de vie des porteurs libres, ΓG, ΓSAest le facteur de confinement, gG, gSAest le gain différentiel, n0G, n0SAest la densité de porteurs libres à la transparence, τphest le temps de vie des photons, β est le facteur d’émission spontanée, Brest la recombinaison biomoléculaire.
Par ailleurs, l’évolution temporelle de la puissance optique Poutde l’impulsion laser émise par la source laser impulsionnelle 10 s’écrit, en fonction du nombre de photons Nphprésents dans la cavité optique, λlest la longueur d’onde de l’impulsion laser et ηcest le rendement quantique :
Dans ces exemples, on considère les valeurs suivantes. En ce qui concerne les paramètres globaux : λl= 1.575µm, τph= 2.4ps, β = 10-4, ηc= 0.39, et Br= 10-15m3/s. En ce qui concerne la section à gain 12 : ηi,G= 0.7, Va= 2.55×10-18m3, ΓG= 0.034, τG= 1ns, gG= 0.97×10-12m3/s, n0G= 1.1×1024m-3. En ce qui concerne la section absorbante saturable 13 : VSA= 0.85×10-18m3, ΓSA= 0.034, τSA= 100ps, gSA= 14.5×10-12m3/s, n0SA= 1.1×1024m-3.
Considérons tout d’abord l’exemple de la . Ici, seules des impulsions optiques d’excitation sont émises.
A t=0ns, un courant électrique de pompe est injecté dans la section à gain 12, avec une intensité constante de 15mA (le courant de seuil étant de 16mA). Par ailleurs, une première impulsion optique d’excitation est émise à 5ns. Aussi, la densité de porteurs injectés nGaugmente progressivement, de sorte que le gain dépasse la valeur d’excitabilité gexcet atteint une valeur maximale gmax. On atteint le régime stationnaire et la source laser rentre dans son régime d’excitabilité. On remarque que la densité de porteurs libres nSAdans la section absorbante saturable 13 augmente légèrement, mais reste très faible, traduisant le fait que le coefficient de transmission à la longueur d’onde λlest très faible. Les pertes optiques sont donc supérieures ou égales à αmax, et la section absorbante saturable 13 est dans l’état bloquant.
A t=5ns, la première impulsion optique d’excitation est émise et injectée dans la section absorbante saturable 13. Cette impulsion optique provoque une forte augmentation du coefficient de transmission (ce qui se traduit par une forte augmentation de la densité de porteurs libres nSA). Le mode laser oscillant dans la cavité optique augmente alors en intensité optique, ce qui contribue, avec l’impulsion optique d’excitation, à saturer la section absorbante saturable 13 (autrement dit, l’impulsion optique d’excitation continue avec les photons de la cavité optique à saturer la section 13). Les pertes optiques chutent alors à une valeur inférieure ou égale à αmin: la section absorbante saturable 13 passe alors dans l’état passant. Les atomes excités dans la section à gain 12 se désexcitent et la densité de porteurs libres nGchute brutalement : l’impulsion laser est émise. L’impulsion optique d’excitation ainsi que l’impulsion laser étant terminées, la densité de porteurs libres nSArediminue brutalement et la section absorbante saturable 13 repasse à l’état bloquant.
A t=7ns et 8ns, d’autres impulsions optiques d’excitation sont émises, mais la densité de porteurs libres nGn’a pas dépassé le seuil d’excitabilité. Ainsi, la source laser n’est pas encore dans son régime d’excitabilité et l’on est donc dans la période réfractaire. Aussi, les impulsions optiques ne permettent pas de saturer la section absorbante saturable 13, le gain n’a pas dépassé sa valeur d’excitabilité gexc, et la source laser n’émet donc pas d’impulsions laser.
A t=9ns, en revanche, la densité de porteurs libres (et donc le gain) est suffisante, et la source laser est entrée dans son régime d’excitabilité (fin de la période réfractaire) : le gain est supérieur ou égal à gexc. Aussi, l’impulsion optique d’excitation permet de saturer (avec le mode laser oscillant dans la cavité optique) la section absorbante saturable 13, et l’impulsion laser est émise. C’est également le cas avec l’impulsion optique d’excitation émise à 13ns.
Considérons maintenant l’exemple de la . Ici, des impulsions optiques d’excitation sont émises ainsi qu’une impulsion optique d’inhibition.
Le comportement de la source laser impulsionnelle 10 face aux impulsions optiques d’excitation émises à 5, 7 et 8ns est identique à ce qui a été décrit précédemment. Cependant, une impulsion optique d’inhibition émise ici à 8.5ns permet de contrecarrer l’excitation à 9ns et ainsi d’empêcher l’émission de l’impulsion laser.
Juste avant l’émission de l’impulsion optique d’inhibition, la densité de porteurs libres nGprésente sa valeur maximale, de sorte que le gain est stationnaire et égal à gmax: la source laser 10 est dans le régime d’excitabilité. A t=8.5ns, l’impulsion optique d’inhibition est reçue par la section à gain 12 : elle provoque une désexcitation des atomes excités par émission stimulée, et donc une diminution de la densité de porteurs libres nG(et donc du gain). Cette diminution est faible sur la , mais suffisante pour que le gain passe en dessous de la valeur d’excitabilité gexc. La source laser a donc quitté le régime d’excitabilité, qu’elle n’a pas retrouvé à 9ns. A ce titre, la est un zoom sur la période de temps allant de 0.7ns à 1.3ns, comparant l’évolution temporelle de la densité de porteurs libres nGnotée ici nG,1dans le cas de l’exemple de la , et celle de la densité de porteurs libres nGnotée ici nG,2dans le cas de l’exemple de la . On note que dans le cas de la , lors de la réception à 9ns de l’impulsion optique d’excitation, la densité nG,1présente une valeur suffisante pour saturer la section absorbante saturable 13 et provoquer l’émission de l’impulsion laser. En revanche, dans le cas de la , la réception à 8.5ns de l’impulsion optique d’inhibition provoque une diminution de la densité nG,2, qui présente alors une valeur insuffisante à 9ns, lors de la réception de l’impulsion optique d’excitation, pour participer à l’émission de l’impulsion laser.
Aussi, à t=9ns, l’impulsion optique d’excitation provoque une diminution des pertes optiques, mais le gain g n’est plus suffisant pour que le mode laser oscillant dans la cavité optique, avec l’impulsion optique d’excitation, puisse saturer la section absorbante saturable 13. Celle-ci ne passe donc pas dans son état passant, et l’émission de l’impulsion laser n’a pas lieu.
On voit donc que la source laser peut ne pas être dans son régime d’excitabilité pour notamment deux raisons : soit elle est encore dans sa période réfractaire (augmentation de la densité de porteurs libres par le courant de pompe jusqu’à une valeur suffisante), soit elle était dans le régime d’excitabilité, mais en a été sortie par l’impulsion optique d’inhibition.
On retrouve également ce comportement des neurones physiologiques, décrit par le modèle LIF (Leaky Integrate-and-Fire, en anglais) où les signaux synaptiques de poids positif sont des signaux d’excitation et où les signaux synaptiques de poids négatif sont des signaux d’inhibition.
Notons que le dispositif laser impulsionnel 1 peut comporter des atténuateurs d’intensité 2 (cf. ), couplés aux guides d’onde latéraux 32, 42, pour atténuer ou non l’intensité des impulsions optiques d’excitation et d’inhibition transmises. De tels atténuateurs 2 peuvent être des modulateurs de type Mach-Zehnder ou à anneau résonnant. Il peut également s’agir de matériaux à changement de phase choisi notamment parmi les chalcogénures, en particulier de type GST, c’est-à-dire formés à base de germanium Ge, d’antimoine Sb, et de tellure Te. On peut se référer au document de Abdollahramezani et al. intituléTunable nanophotonics enabled by chalcogenide phase-change materials, Nanophotonics 2020, 9(5), 1189-1241.
Ainsi, le dispositif laser impulsionnel 1 selon l’invention est à déclenchement actif de manière ‘tout optique’, et reproduit effectivement les propriétés d’excitabilité et de période réfractaire des neurones physiologiques. Les signaux synaptiques d’excitabilité et d’inhibition sont ici des impulsions optiques transmises directement jusqu’aux sections 12, 13 du milieu semiconducteur 11 de la source laser impulsionnelle 10, sans qu’ait lieu une conversion O/E. Ceci est permis par la configuration hybride de la source laser impulsionnelle 10, où les guides d’onde latéraux 32, 42 sont intégrés dans le substrat photonique 20 sans pour autant être couplés optiquement à la cavité optique. On évite ainsi les inconvénients des neurones artificiels photoniques de l’art antérieur de type ‘conversion O/E/O’, notamment les inconvénients liés à la conversion O/E et à la présence des photodiodes. On évite également les inconvénients des neurones photoniques de l’art antérieur de type ‘tout optique’ tels que ceux liés à la nécessité d’inverser les impulsions à l’entrée du neurone photonique et ceux liés au contrôle strict de l’écart en fréquence entre les lasers maître et esclave.
La est une vue schématique et partielle d’un dispositif laser impulsionnel 1 selon un mode de réalisation, ici le cadre d’un réseau de neurones artificiels photoniques. La source laser impulsionnelle 10 forme un neurone artificiel photonique, qui est relié aux dispositifs optiques d’excitation 30 40 et d’inhibition par leurs guides d’onde latéraux. Ces derniers forment ainsi les synapses du neurone artificiel photonique. Dans cet exemple, les dispositifs optiques d’excitation 30 et d’inhibition 40 sont des sources laser impulsionnelles identiques ou similaires à celle du dispositif laser impulsionnel 1, et forment donc également des neurones artificiels photoniques. L’ensemble est ici une partie d’un réseau de neurones artificiels photoniques à déclenchement actif de type ‘tout optique’, en configuration hybride où les guides d’onde sont intégrés dans le substrat photonique. Les impulsions optiques d’excitation sont donc des signaux synaptiques dont le poids est de signe positif et dont l’intensité peut être modifiée par les atténuateurs d’intensité optique. De même, les impulsions optiques d’inhibition sont donc des signaux synaptiques dont le poids est de signe négatif dont l’intensité peut être modifiée.
Les figures 7A et 7B sont des vues partielles et en perspective d’une partie de la source laser d’un dispositif laser impulsionnel 1 selon un autre mode de réalisation, et plus précisément d’une section à gain 12 ou d’une section absorbante saturable 13 couplée aux guides d’onde.
La illustre plus précisément un exemple de réalisation du guide d’onde longitudinal 21 (s’étendant suivant l’axe X) et d’un guide d’onde latéral 32 (s’étendant suivant l’axe Y) d’une section à gain. Comme indiqué précédemment, ces guides d’onde sont formés d’une base et d’une arête en saillie.
La illustre plus précisément la section semiconductrice, ici une section à gain 12, présentant une forme de plot semiconducteur. Elle présente une couche semiconductrice inférieure dopée n dont la largeur est plus grande que les couches semiconductrices supérieures, ceci pour simplifier le contact électrique avec un plot conducteur (non représenté) de la source électrique. Le plot semiconducteur présente une longueur suivant l’axe X et une largeur suivant l’axe Y. La largeur est constante le long du plot semiconducteur, hormis dans une partie située en regard du guide d’onde latéral, où la largeur est plus importante, ceci pour améliorer le couplage optique avec le guide d’onde latéral.
Dans le cas d’une section à gain 12, l’impulsion optique d’inhibition peut se propager suivant la direction +Y jusqu’à la section à gain 12, et provoquer une émission lumineuse par émission stimulée. Cependant, ces photons pourront ici poursuivre leur déplacement dans la partie du guide d’onde latéral qui se poursuit après la section à gain 12 suivant la direction +Y. Ce signal optique pourra s’atténuer progressivement. En variante, et en particulier lorsqu’il s’agit d’une section absorbante saturable 13, le guide d’onde latéral peut ne pas se poursuivre de l’autre côté de la section.
Notons que le couplage optique entre les guides d’onde intégrés et le milieu semiconducteur 11 est ici un couplage de type supermode (type de couplage optique que l’on retrouve dans les lasers DFB) dans la mesure où le guide d’onde longitudinal 21 (et ici également les guides d’onde latéraux) s’étendent continument sous le milieu semiconducteur 11. En variante, les guides d’onde intégrés peuvent comporter des coupleurs (taperen anglais), par exemple en pointe, pour que le mode guidé passe progressivement du guide d’onde intégré dans le milieu semiconducteur 11 (type de couplage optique que l’on retrouve dans les lasers DBR).
La est une vue partielle et en perspective d’un milieu semiconducteur 11 d’une source laser d’un dispositif laser impulsionnel 1 selon un autre mode de réalisation. Ici, le milieu semiconducteur 11 comporte, agencés longitudinalement suivant l’axe longitudinal X, une première section à gain 12, une section absorbante saturable 13, et une deuxième section à gain 12.
Ces sections ne sont pas séparées physiquement les unes des autres, mais au contraire forment des zones d’un même plot semiconducteur. L’isolation électrique entre les sections deux à deux est obtenue ici par une échancrure 14 située à l’interface entre la section absorbante saturable 13 et chacune des sections à gain, au niveau de laquelle un dopage approprié est effectué, par exemple via une implantation de protons H+.
Comme mentionné précédemment, la longueur suivant l’axe X de la section absorbante saturable 13 est inférieure à la longueur cumulée des sections à gain, et est de préférence de l’ordre de 2 à 10% de cette longueur cumulée des sections à gain. La section absorbante saturable 13 présente ainsi un temps faible de saturation/désaturation, propice à l’émission d’impulsions laser de faible durée.
Par ailleurs, le milieu semiconducteur 11 peut comporter une pluralité de sections électriquement isolées les unes des autres, connectées chacune à une source de polarisation électrique. Le signe de la tension électrique appliquée à chacune des sections peut déterminer si la section considérée est une section à gain 12 ou une section absorbante saturable 13. De plus, l’intensité de la tension électrique appliquée peut correspondre au poids wiappliqué au signal synaptique d’inhibition ou d’excitation.
Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.

Claims (10)

  1. Dispositif laser impulsionnel (1) pour réseau de neurones artificiels photoniques, comportant :
    • une source laser impulsionnelle (10), comportant :
      • une cavité optique, définissant un axe longitudinal ;
      • un milieu semiconducteur (11) comportant des puits quantiques, situé dans la cavité optique, comportant au moins une section à gain (12) et au moins une section absorbante saturable (13), agencées suivant l’axe longitudinal et électriquement isolées l’une de l’autre,
        • la section absorbante saturable (13) présentant une variation du coefficient de transmission en fonction d’une intensité optique incidente telle que la cavité optique présente des pertes optiques qui sont supérieures ou égales à une première valeur αmaxlorsque la section absorbante saturable (13) n’est pas éclairée, et inférieures ou égales à une deuxième valeur αmininférieure à αmaxlorsque la section absorbante saturable (13) est éclairée et saturée ;
      • une source électrique, adaptée à appliquer une polarisation en direct à la section à gain (12) par un courant électrique d’intensité prédéfinie, et à appliquer une polarisation nulle ou en inverse à la section absorbante saturable (13) ;
    • caractérisé en ce qu’il comporte :
    • un substrat photonique (20), comportant des guides d’onde (21, 32) dont un guide d’onde longitudinal (21) participant à définir la cavité optique, la source laser impulsionnelle (10) étant une source laser hybride dont le milieu semiconducteur (11) repose sur le substrat photonique (20) et est couplé au guide d’onde longitudinal (21) ;
    • un dispositif optique d’excitation (30), comportant :
      • une source émettrice (31) adaptée à émettre au moins une impulsion optique d’excitation d’intensité prédéfinie ;
      • un guide d’onde latéral (32), intégré dans le substrat photonique (20), couplé optiquement à la section absorbante saturable (13) pour transmettre l’impulsion optique d’excitation, de manière inclinée vis-à-vis de l’axe longitudinal dans un plan XY de manière à éviter un couplage optique avec la cavité optique ;
    • l’intensité du courant électrique et l’intensité de l’impulsion optique d’excitation étant prédéfinies de sorte que le milieu semiconducteur (11) présente, en régime stationnaire, une valeur maximale gmaxde gain :
      • inférieure à la première valeur αmaxde pertes optiques lorsque la section absorbante saturable (13) n’est pas éclairée par l’impulsion optique d’excitation, de sorte que la source laser impulsionnelle (10) n’émet pas d’impulsion laser ;
      • supérieure ou égale à la deuxième valeur αmindes pertes optiques lorsque la section absorbante saturable (13), éclairée par l’impulsion optique d’excitation, est saturée, assurant ainsi l’émission d’une impulsion optique par la source laser impulsionnelle (10).
  2. Dispositif laser impulsionnel (1) selon la revendication 1, comportant en outre un dispositif optique d’inhibition (40), comportant :
    • une source émettrice (41) adaptée à émettre au moins une impulsion optique d’inhibition d’intensité prédéfinie de sorte que le milieu semiconducteur (11) présente, lorsque la section à gain (12) reçoit l’impulsion optique d’inhibition, une valeur de gain g inférieure à une valeur dite d’excitabilité gexcà partir de laquelle la section absorbante saturable (13), éclairée par l’impulsion optique d’excitation, est saturée ;
    • un guide d’onde latéral (42), intégré dans le substrat photonique (20), couplé optiquement à la section à gain (12) pour transmettre l’impulsion optique d’inhibition, de manière inclinée dans le plan XY vis-à-vis de l’axe longitudinal de manière à éviter un couplage optique avec la cavité optique.
  3. Dispositif laser impulsionnel (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le milieu semiconducteur est réalisé à base d’un composé semiconducteur III-V, II-VI ou à base d’un élément ou d’un composé IV.
  4. Dispositif laser impulsionnel (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat photonique est réalisé à base de silicium.
  5. Dispositif laser impulsionnel (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le guide d’onde longitudinal (21) s’étend continument sous le milieu semiconducteur (11), ou est couplé optiquement à celui-ci par des coupleurs en pointe.
  6. Dispositif laser impulsionnel (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le milieu semiconducteur (11) comporte au moins deux sections à gain (12) situées de part et d’autre de la section absorbante saturable (13).
  7. Dispositif laser impulsionnel (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la section à gain (12) et la section absorbante saturable (13) sont des portions physiquement distantes l’une de l’autre, ou sont des zones d’un même plot que forme le milieu semiconducteur (11).
  8. Dispositif laser impulsionnel (1) selon les revendications 1 et 2 et selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, comportant des atténuateurs d’intensité optique (2) disposé sur les guides d’onde latéraux (32, 42), et adaptés à diminuer l’intensité des impulsions optiques d’excitation et d’inhibition.
  9. Réseau de neurones artificiels photoniques, comportant une pluralité de dispositifs laser impulsionnels selon les revendications 1 et 2 et selon l’une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel chaque source laser impulsionnelle (10) forme un neurone artificiel photonique, les neurones artificiels photoniques étant raccordés optiquement les uns aux autres par les guides d’onde latéraux (32, 42).
  10. Procédé d’utilisation d’un dispositif laser impulsionnel (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comportant les étapes suivantes :
    • polarisation en direct de la section à gain par un courant électrique d’une intensité constante prédéfinie de sorte que le gain g du milieu semiconducteur (11) atteigne une valeur maximale gmax, et application d’une polarisation nulle ou en inverse de la section absorbante saturable ;
    • émission d’une impulsion optique d’excitation par le dispositif optique d’excitation (30), provoquant une émission d’une impulsion laser par la source laser impulsionnelle (10) si le gain est au moins égal à une valeur d’excitabilité gexc;
    • émission d’une impulsion optique d’inhibition par le dispositif optique d’inhibition (40), empêchant l’émission d’une impulsion laser par une diminution de la valeur du gain en dessous de la valeur d’excitabilité gexc.
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