OPERA - Photonique [OPERA-Photonics] (OPERA)

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.]

Étude et réalisation de sources de photons jumeaux fibrées pour les applications en communication quantiques [Study and design of fiber twin photon sources for quantum communication applications]
Ce projet a pour but de concevoir des sources de photons jumeaux basées sur la technologie des fibres optiques monomodes. Les photons issus de ces nouvelles sources pourront être plus aisément injectés dans les fibres optiques servant de canal de communication et présenteront de meilleures caractéristiques temps-fréquence. Les sources à l'étude sont basées sur l'effet Kerr des fibres de silice et sur la non-linéarité du second ordre induite par polage des fibres de silice. [The aim of the project is to design twin photon sources based on single-mode-fibre technology. Photons delivered by these new sources will experience lower insertion losses, for injection into standart communication optical fibers. In addition, these sources will present better time-frequency characteristics. The sources that we are studying take advantage of the optical Kerr effect in silica fibers and of second order nonlinearity in poled silica fibers. ]

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.]

Optique intégrée sur silicium [Silicon integrated optics]
La nanophotonique sur silicium constitue un des sujets de recherche les plus excitant à l'heure actuelle. De nombreux laboratoires, instituts et entreprises spécialisés dans la microélectronique s'intéressent aujourd'hui à ce domaine. En effet, la technologie des salles blanches actuelles permet la fabrication de circuits optiques intégrés comportant des guides optiques de tailles nanométriques. Grâce à l'étude des effets non linéaire dans ces structures de nombreuses fonctions toute optiques ou optoélectroniques ont vu le jour. Le laboratoire s'intéresse plus particulièrement à cette étude dans les régimes des très faibles et très hautes puissances. Ainsi, nous travaillons actuellement sur la génération de paires de photons dans ces guides et de fonctions logiques et mémoires toute optiques. [Silicon nanophotonic is today one of the most exciting scientific challenge Numerous laboratories, institute and companies such as Intel or IBM are making research in this field thanks to the great progress of silicon nanoprocessing. As a result, low loss silicon nanowires were developed leading to new all-optical functions that benefit from high optical non linearities. Our laboratory's interests are dedicated to the low power and high power nonlinear behaviour of those structures. As an example, we work on photon pairs generation in silicon and all-optical logic gate and memory using symmetry breaking.]

Application de l'optique à la réalisation expérimentale de protocoles de communications et d'algorithmes quantiques [Experimental implementation of quantum communication protocols and quantum algorithms using optics]
L'information quantique est le domaine qui explore dans quelle mesure la manipulation d'information au niveau quantique offre des possibilités nouvelles par rapport à la manipulation d'information au niveau classique. L'information quantique promet ainsi des systèmes de communications dont la sécurité dépend seulement des lois de la physique, la cryptographie quantique, et des ordinateurs quantiques qui peuvent résoudre certains problèmes exponentiellement plus rapidement que les ordinateurs classiques. Le but de ce projet est de réaliser expérimentalement certaines des promesses de liinformation quantique, et en particulier de la communication quantique, en utilisant les possibilités offertes par l'optique quantique. L'un des axes du projet est le développement de protocoles de communication quantique, par exemple liés à la cryptographie quantique ou au ''pile ou face'' quantique. [Quantum Information is a new field whose aim is to understand to what extent manipulating information at the quantum level offers new possibilities as compared to manipulations of information at the classical level. Some of the promises of the quantum information are quantum cryptography, ie. secure communication systems whose security depends only on the laws of physics, and quantum computers that could solve certain problems exponentially faster than classical computers. The aim of this project is to realise experimentally some of the promises of quantum information, and in particular of quantum communication, using the possibilities offered by quantum optics. One of the main axes of the project is the development of new protocols for quantum communication, for instance related to quantum cryptography or quantum coin tossing.]

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.]

Conception et réalisation d'un réseau de neurones optique de type réservoir [Conception and realization of an optical ''Reservoir Computing'' implementation of neural networks]
Depuis de nombreuses années, l'un des défis majeurs de l'industrie des télécommunications est de pouvoir traiter les informations qui arrivent dans les lignes de télécommunications optiques en temps réel -par exemple pour le routage- sans passer par l'électronique. Ceci nécessite une version, éventuellement assez simple, d'un calculateur analogique tout optique. Nous en explorerons une approche particulière, appelée « Reservoir Computing », proposée très récemment pour réaliser de manière analogique de tels calculs, basés sur la dynamique des systèmes faiblement chaotiques. Ce projet est réalisé en collaboration avec l'université de Gand. [For many years, one of the most challenging issues addressed by the telecommunications industry is to process all optically, i.e. without resorting to electronics, information data carried by optical telecommunications cables. One possible way of solving this issue is to resort to simple optical analog calculators. In this project we investigate a recently proposed approach called 'Reservoir Computing' to build an all-optical calculator dedicated to realize simple specific tasks. This approach is based on the dynamics of weakly chaotic systems. This project is conducted in collaboration with Ghent University.]

Étude théorique et expérimentale des cavités optiques non linéaires passives à fibre à pompage synchrone. [Theoretical and experimental study of synchronously driven nonlinear passive optical fiber cavities.]
Nous avons mené une activité de recherche théorique sur les cavité optiques passives à fibre. Ces cavités présentent, lorsqu'elles sont soumises à un pompage synchrone, des propriétés dynamiques non linéaires extrêmement riches. D'une part, elles présentent des instabilités pouvant conduire au chaos optique et, d'autre part, elles possèdent des propriétés non linéaires remarquables telles que la bistabilité optique qui peut être appliquée à la réalisation de mémoires optiques dynamiques. Nous avons investigué de nombreux aspects fondamentaux des propriétés dynamiques non linéaires des cavités à fibre. Parmi nos travaux théoriques, on trouve entre autres : l'élaboration d'un modèle théorique analytique des instabilités de type doublement de période, la mise en évidence du phénomène d'instabilité modulationnelle en régime de dispersion normale, la découverte du chaos modulationnel de faible dimension, la conception d'une source d'impulsions lumineuses ultracourtes à haut taux de répétition ainsi que la découverte d'un régime de doublement de période de polarisation pure. Nous avons réalisé une étude expérimentale sur le sujet. Grâce à une technique de stabilisation interférométrique de la cavité développée en collaboration avec l'Université de Limoges, nous avons pu mettre en évidence la bistabilité optique et le doublement de période en régime stable, ce qui représente un progrès considérable par rapport aux études existantes sur le sujet. L'étape suivante de nos travaux sera de mettre en évidence, de façon expérimentale, le régime chaotique et surtout de le caractériser finement. [We have carried out theoretical studies of nonlinear passive fiber cavities. These cavities exhibit, when subject to synchronous pumping, a very rich spectrum of complex dynamical behaviors. On the one hand they exhibit instabilities which can lead to optical chaos and, on the other hand, they possess remarkable nonlinear properties such as optical bistability which can find applications in all-optical data storage. We have investigated numerous fundamental aspects of the nonlinear properties of the passive fiber cavities. Among our achievement, one finds: the theoretical modeling and analytical description of period-doubling instabilities, the evidence of the modulational instability in the normal dispersion regime, the discovery of low-dimensional modulational chaos, the design of a high-bit-rate source of ultra-short light pulses and the discovery of the pure-polarization period-doubling instabilities. Thanks to an interferometric stabilisation technique elaborated in collaboration with the University of Limoges (France) we observed optical bistability and period doubling in a stable operation regime. This represents a significant progress with respect to previous studies on the subject. Our next experimental work will be to observe and characterize the chaotic regime that was predicted theoretically.]

Étude de la propagation optique non linéaire en matériaux à indices de réfraction négatifs [Étude de la propagation optique non linéaire en matériaux à indices de réfraction négatifs]
De récents progrès dans la fabrication des matériaux gauches, aussi dénommés « à indice de réfraction négatif », « doublement négatifs » ou « senestrorsum », laissent entrevoir leur utilisation proche dans la gamme des fréquences de l'optique. De nombreux travaux étudient la propagation linéaire des ondes dans des assemblages plus ou moins complexes de matériaux classiques (dextrorsum) et gauches. Nous avons construit un modèle de la propagation en régime non linéaire de Kerr dans un matériau gauche. Ce modèle permet d'étudier des systèmes plus ou moins complexes qui ont leur équivalent classique, tels les résonateurs de Fabry-Perot non linéaires. Ce travail est effectué en collaboration avec le groupe TONA à la VUB (Vrije Universiteit Brussel) et celui d'optique non linéaire théorique de l'ULB. [Recent advances in the fabrication of left-handed materials, also know as ``materials with a negative index of refraction'' or ``doubly negative materials'', let us expect that they will be used soon in the range of optical frequencies. Many works are devoted to the linear propagation of waves in more or less complex setups involving left-handed and classical materials (right-handed). We have established a model describing the propagation of light in a left-handed material with Kerr-type nonlinearity. This model allows to study more complex systems, which have classical equivalent, like the nonlinear Fabry-Perot resonator. This work is a collaboration of OptIQ, ONT (ULB) and TONA (VUB, Vrije Universiteit Brussel).]

Modulateur passif fonctionnant sur un principe de rétroaction analogue à celui de la lame de Kerr [Passive modulator based on a feedback loop similar to that of the Kerr slice]
Ce projet vise à transposer du domaine spatial vers le domaine temporel, la génération de motifs stables par rétroaction optique dans une lame de matériau de type Kerr (à non-linéarité cubique). Outre les aspects fondamentaux de l'étude du système dynamique passif que nous avons conçu dans le domaine temporel, ce projet vise à la création d'un modulateur passif, capable de transformer un signal continu en train d'impulsions stables, dont les propriétés dépendraient des caractéristiques de dispersion et non-linéarité des différents constituants du dispositif.Ce projet est une collaboration entre OptIQ et le groupe d'optique non linéaire théorique (ONT) de l'ULB. [This project aims to transpose, from the spatial domain to the temporal domain, the development of stable patterns by optical feedback in a Kerr slice. In addition to the fundamental aspects realted to the study of the dynamical properties of the passive system that we designed, this project aims to build a passive modulator, able to generate a stable train of pulses from a continuous signal. The characteristics of the generated train should depend only on the intrinsic dispersive and nonlinear properties of the different parts of the setup. This project involves OptIQ members and members of the ONT group at ULB.]

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.]

Etude de l'émission de photons uniques par des nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux [Etude de l'émission de photons uniques par des nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux]
Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux sont des nanostructures synthétisables chimiquement et contenant quelques milliers d'atomes. A cause du confinement quantique, les propriétés électroniques et optiques de ces structures cristallines diffèrent fondamentalement de celles de leurs correspondants massifs. Des niveaux d'énergie discrets sont par exemples observés, leur conférant des propriétés comparables, à certains égards, à celles des atomes. En particulier, l'émission de photons uniques est possible et a été récemment observée dans le visible à température ambiante pour le CdSe. Le spectre d'émission de nanocristaux dépend de leur composition, de leur taille et de leur forme. Nous désirons jouer sur ces paramètres pour pouvoir réaliser une source de photons uniques intégrée accordable longueur d'onde. Par ailleurs, nous travaillons sur un nouveau système d'adressage optique permettant de changer de nanocristal émetteur en une dizaine de microsecondes et d'adresser un nombre arbitraire de nanocristaux simultanément. La combinaison de ces qualités conférera à la source que nous voulons construire une flexibilité unique permettant de nouvelles applications en optique quantique (corrélations d'intensité de deux photons, images fantômes) et dans le domaine du traitement quantique de l'information (cryptographie à photons uniques multiplexée en longueur d'onde). [Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux sont des nanostructures synthétisables chimiquement et contenant quelques milliers d'atomes. A cause du confinement quantique, les propriétés électroniques et optiques de ces structures cristallines diffèrent fondamentalement de celles de leurs correspondants massifs. Des niveaux d'énergie discrets sont par exemples observés, leur conférant des propriétés comparables, à certains égards, à celles des atomes. En particulier, l'émission de photons uniques est possible et a été récemment observée dans le visible à température ambiante pour le CdSe. Le spectre d'émission de nanocristaux dépend de leur composition, de leur taille et de leur forme. Nous désirons jouer sur ces paramètres pour pouvoir réaliser une source de photons uniques intégrée accordable longueur d'onde. Par ailleurs, nous travaillons sur un nouveau système d'adressage optique permettant de changer de nanocristal émetteur en une dizaine de microsecondes et d'adresser un nombre arbitraire de nanocristaux simultanément. La combinaison de ces qualités conférera à la source que nous voulons construire une flexibilité unique permettant de nouvelles applications en optique quantique (corrélations d'intensité de deux photons, images fantômes) et dans le domaine du traitement quantique de l'information (cryptographie à photons uniques multiplexée en longueur d'onde). ]