Etude des phénomènes optiques non linéaires dans des guides d'ondes plans en matériaux semi-conducteurs [Study of nonlinear optical phenomena in semiconductor planar waveguides]
Ce projet vise à étudier les propriétés de propagation non linéaire de la lumière dans des guides d'ondes réalisés en matériaux semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont des milieux optiquement non linéaires dont la non-linéarité de Kerr quasi instantanée est plus de 500 fois supérieure à celle de la silice qui compose les fibres. En outre, cette non-linéarité apparaît aux longueurs d'onde infrarouges actuellement utilisées en télécommunication optique, ce qui fait de ces milieux des candidats potentiels intéressant pour la conception de dispositifs intégrés permettant le traitement tout-optique ultrarapide de l'information. Cependant jusqu'à présent, notre recherche dans ce domaine revêt un caractère plus fondamental puisque nous nous intéressons à la mise en évidence expérimentale de phénomènes physiques nouveaux au coeur de l'interaction non linéaire lumière/matière en milieux guidant à géométrie planaire. Plus particulièrement, nous étudions les phénomènes d'instabilités que subissent les solitons lorsque plus d'une dimension transverse (temporelle ou spatiale) est présente. Notre étude porte également sur la propagation non linéaire de la lumière en présence de structures périodiques gravées sur les guides d'ondes. Ces projets de recherche sont menés en collaboration avec le laboratoire OPTO de l'université de Gand qui réalise, entre autres, les gravures sur les guides semi-conducteurs. [The objective of this project is to study nonlinear propagation of light in semiconductor waveguides. Semiconductors are nonlinear optical media that exhibit an ultrafast Kerr nonlinearity, 500 times that of fused silica used to fabricate optical fibers. Moreover, this nonlinearity appears for near-infrared wavelengths currently used in optical telecommunications. Therefore, semiconductor media are potentially attractive to design integrated systems that perform ultrafast all-optical signal handling. However, to date, our research in this field has a more fundamental aspect since we are interested in experimental observation of new physical phenomena due to nonlinear interactions between light and matter in planar guided media. We study particularly transverse instabilities of solitons that occur when a soliton propagates in systems with two transverse dimensions (in space or time). We also study nonlinear propagation of light in periodic structures etched on waveguides. These projects are carried out in collaboration with the OPTO laboratory from the Ghent University where gratings on semiconductors are etched. ]
Points quantiques colloïdaux en semi-conducteurs : des matériaux hautement non linéaires pour les dispositifs photoniques ultrarapides à basse puissance. [Colloidal semiconductor quantum dots: highly nonlinear materials for low-power high-speed photonic devices]
Le fonctionnement de nombreux composants photoniques est basé sur des non-linéarités optiques. Ces composants font l'objet d'améliorations constantes au niveau de leur taille, de leur consommation d'énergie et de leur vitesse de fonctionnement, en partie pour s'aligner sur les évolutions technologiques, mais aussi pour parvenir à leur intégration dans des micro-circuits électroniques. Or, le silicium utilisé dans les micro-circuits ne possède pas de très bonnes caractéristiques optiques, car sa bande interdite est indirecte et sa non-linéarité faible. Les avantages des technologies silicium en termes de coûts et développement ne sont de ce fait pas accessibles aux dispositifs photoniques. Notre projet émane de l'idée d'associer au silicium une couche de points quantiques colloïdaux (PQC, aussi appelés « boîtes quantiques »). Il s'agit de nanocristaux de matériau semi-conducteur dont la structure électronique est modifiée par le confinement quantique : la bande interdite varie avec leur diamètre et les niveaux de la bande de conduction et de valence sont réellement discrets. Sachant que ces PQC ont une très forte susceptibilité non linéaire, nous attendons une amélioration substantielle des non-linéarités optiques dans des composants au silicium recouverts de PQC, ce qui permettrait la fabrication de dispositifs photoniques basés sur les technologies du silicium. Ce programme sera réalisé en collaboration avec deux groupes de l'université de Gand qui sont complémentaires du nôtre: le département de physique et chimie des nanostructures et le groupe de recherche en photonique. [Many optical components are based on nonlinear optical effects. These components are constantly improved, with respect to their size, power consumption and processing speed, partly to follow the technological progress, but also to integrate them in electronic micro-circuits. Unfortunately, due to its indirect bandgap and low nonlinear coefficient, silicon used in micro-circuits is not efficient from an optical point of view. The advantages of silicon technology, in terms of costs and developements, are therefore not available for photonic devices. Our project aims to functionalize silicon with a layer of colloidal quantum dots. These quantum dots are nanocrystals of semiconductor material, in which the electronic structure is modified by quantum confinement: the bandgap varies with the diameter of the dots, and the conduction and valence bands are really discrete. It is known that such quantum dots present a very high nonlinear susceptibility, so that we expect a significant increase of the nonlinear optical response in silicon structures that are covered with a layer of quantum dots. This increase of nonlinearity should allow for the fabrication of photonic devices based on the silicon technolgy. This project will be performed in collaboration with two groups of the Ghent university, which are complementary to our: the Department of physics and chemistry of nanostructures, and the Photonic research group.]
Caractérisation en amplitude et en phase de signaux optiques ultracourts [Full amplitude and phase characterization of ultrashort optical signals.]
Au-delà des techniques traditionnelles basées sur la corrélation d'intensité, nous étudions les méthodes de caractérisation basées sur l'analyse spectrale résolue dans le temps et sur l'extension totalement optique de la dynamique temporelle de mesure des caméras électroniques à balayage de fente. En collaboration avec Sophie LaRochelle de l'Université Laval (Québec, Canada), Lawrence Chen de l'Université McGill (Montréal, Canada) et José Azaña de l'Université du Québec (Montréal, Canada), nous étudions également le filtrage fréquentiel par réseau de Bragg, résolu en temps à l'aide d'un oscilloscope rapide. Nous travaillons enfin sur des dipsositifs de caractérisation d'impulsion ultracourtes basées sur la technique d'interférométrie spectrale (SPIDER) en collaboration avec Ian Walmsley de l'université d'Oxford et Piotr Wasylczyk de l'université de Varsovie. [Beyond the usual intensity-correlation techniques we consider methods based on time-resolved spectral analysis and on an original all-optical extension of the temporal measurement dynamics of streak cameras. In collaboration with Sophie LaRochelle of Laval University (Québec, Canada), Lawrence Chen of Mc Gilll University (Montréal, Canada), and José Azaña of the ''Université du Québec'' (Montréal, Canada), we also study spectral filtering by fiber Bragg gratings (FBGs), resolved in time with the help of a fast oscilloscope. Lastly we have developped a research activity in the field of ultrafast pulse charaterization based on spectral phase interferometry (SPIDER), in collaboration with Ian Walmsley (Oxford University) and Piotr Wasylczyk (Warsaw University).]
Déplacement de microparticules et de globules rouges par faisceaux optiques de type soliton [Microparticles and red cells displacement by spatial optical solitons]
Le piégeage et le déplacement de microparticules au moyen de faisceaux lasers est une technique qui trouve de plus en plus d'applications dans les domaines tels que la biologie où il est nécessaire de disposer d'outils efficaces permettant la manipulation individuelle d'objets de taille micrométrique comme des cellules vivantes. Le but de ce projet est d'étudier la possibilité d'utiliser le champ évanescent des faisceaux optiques de type soliton pour piéger et déplacer des particules micrométriques. [Trapping and displacement of micro particles by laser beams is a technique more and more used in various domains, such as biology, where useful tools to manipulate individual micrometer sized objects (e.g. living cells) are required. Our project is aimed at studying the potentiality of trapping and displacing micro particles in the evanescent field of soliton beams.]
Étude du rôle des défauts de phase dans le processus de génération paramétrique de demi fréquence [Study of the role played by phase defects in the parametric process of half-frequency generation]
L'objectif de ce projet, mené en collaboration avec l'Institut Carnot de l'université de Bourgogne, est d'étudier d'un point de vue théorique et expérimental les propriétés spectrales et temporelles des champs générés par conversion paramétrique dégénérée. Nous avons en effet récemment montré que des défauts de phase de nature topologique sont spontanément générés à partir des fluctuations quantiques du vide dans le processus de génération paramétrique de demi fréquence. Notre étude indique que ces structures d'origine quantique affectent les propriétés de cohérence du champ lumineux généré. En particulier, notre approche théorique nous a permis d'expliquer les élargissements spectraux « anormaux » observés expérimentalement sur les sources paramétriques en régime dégénéré. La mise en évidence de ces défauts de phase permettra d'apporter un éclairage nouveau à l'étude des propriétés spatiotemporelles de la génération paramétrique dégénérée [This project is devoted to the theoretical and experimental study of the spectral and temporal properties of electromagnetic fields generated by parametric half-frequency generation. We have indeed recently shown that topological phase-defects are spontaneously generated from quantum noise fluctuations in the degenerate configuration of parametric interaction. These phase-defects affect the coherence properties in the fundamental field and explain the broad spectral width experimentally observed at degeneracy. The experimental observation of these topological phase-defects will shed a new light on spatiotemporal properties of degenerated parametric generation. This project is carrying out in collaboration with the Institut Carnot de l'Université de Bourgogne.]
Interconnexions totalement optiques assistées par faisceaux solitons photoréfractifs [All-optical interconnects with photorefractive soliton beams]
Cet axe de recherche, débuté récemment au Service, concerne l'exploitation concrète des propriétés de guide d'ondes auto-induit, intrinsèque à la propagation solitonique de lumière dans le domaine spatial. En effet, si les études sur les phénomènes solitoniques demeurent majoritairement fondamentales, certaines applications sont déjà envisageables, principalement pour le traitement de l'information par voie totalement optique pour la photonique. Dans cette perspective, nous avons démontré expérimentalement la robustesse à la réflexion totale interne de solitons spatiaux 2D au sein d'un prisme photoréfractif de niobate de lithium (LiNbO3), cristal couramment utilisé en ingénierie optoélectronique pour ses multiples propriétés physiques (p. ex. electro-optique). En outre, l'effet non linéaire photoréfractif, à l'origine de la variation auto-induite de l'indice de réfraction et responsable de l'autofocalisation des faisceaux, a permis l'inscription plus ou moins longue de guides à gradient d'indice tubulaires. Ainsi, notre étude montre la possibilité de générer et inscrire des guides d'ondes, droits ou courbes voire présentant des virages à angle droit, quasiment sans pertes aux interfaces. Les applications de concernent l'inscription de guides à trajectoires complexes pour la photonique et les interconnexions toutes-optiques car ne nécessitant pas de dispositifs d'adaptation comme des microlentilles. Cette étude est menée en collaboration avec le LOPMD de l'université de Franche-Comté (Besançon, France) et le groupe TONA de la VUB. [This research topic, recently started at the Service, deals with the practical exploitation of reconfigurable waveguides induced by solitonic light propagation in spatial domain. Beyond the fundamental aspects of soliton-beam optics, some applications may already be envisaged in photonics for all-optical signal handling. To this end, we experimentally demonstrated the robustness of 2-D spatial solitons to total reflection internal to an electrically biased prism of lithium-niobate photorefractive crystal (LiNbO3). Such a crystal is commonly used in optoelectronics engineering for its physical properties (e.g. electro-optic). Furthermore, the nonlinear photorefractive effect, at the origin of the self-induced refractive-index modulation and responsible for self-focusing of localized beams, enables more or less permanent inscription of graded-index tubular waveguides. In this respect, the experiment showed the possibility to inscribe straight, curved, or even zero-radius bent waveguides with very-low losses. Applications of this study concerns the reconfigurable inscription of tubular waveguides with complex trajectories for photonics and all-optical interconnects. The research is carried out in collaboration with University of Franche-Comté (Besançon, France) and TONA group from VUB.]
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