Thèse soutenue

Le nanolaser neurone : excitabilité dans les lasers à cristaux photoniques
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Auteur / Autrice : Maxime Delmulle
Direction : Alfredo de RossiFabrice Raineri
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 20/07/2023
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
Jury : Président / Présidente : Fabien Bretenaker
Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Barland, Jesper Mork, Alice Mizrahi
Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Barland, Jesper Mork

Résumé

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Les architectures de calcul neuromorphique, imitant les principes de calcul du cerveau humain, offrent le double avantage d'un traitement économe en énergie et de la capacité à gérer un volume de données augmentant exponentiellement, ce qui en fait une option pertinente pour les futurs besoins en ressources de calcul intensif. Cependant, l'excitabilité, le mécanisme à l'origine d'émission d'impulsions dans les neurones biologiques, a principalement été démontrée dans des systèmes volumineux et énergivores, ou reposant sur des effets lents qui limitent considérablement son application dans des contextes qui exigent une grande bande passante. Dans ce travail, nous explorons deux approches pour induire une excitabilité rapide dans un nanolaser : la première repose sur l'utilisation d'un absorbant saturable intracavité et la seconde sur l'injection d'un laser maître externe. Dans le premier cas, des développements clés dans le design de cavité et les méthodes de fabrication ont été réalisés, notamment une nouvelle méthode a été proposée pour créer de grandes cavités monomodes ainsi qu'un nouveau procédé de fabrication permettant une passivation spatialement sélective pour induire des durées de vie de porteurs différentes dans la même nanocavité afin d'encourager les instabilités dynamiques. Un régime auto-pulsant et un régime excitable sont démontrés à la fois numériquement et expérimentalement dans les nanolasers avec des absorbants saturables à des fréquences de l'ordre du GHz. Ces nanolasers présentent une faible consommation énergétique et une taille compacte par rapport aux neurones excitables à l'état de l'art. De plus, une topologie inédite de connexion garantissant la cascadabilité unidirectionnelle entre neurones est proposée et numériquement étudiée. Un régime auto-pulsant et un régime excitable sont également démontrés expérimentalement dans des nanolasers injectés à des fréquences de l'ordre du GHz, ouvrant la voie, de manière similaire à la première approche, au développement de réseaux neuronaux photoniques ultra-rapides et économes en énergie intégrés sur puce.