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Pascal KOCKAERT


coordonnées


Ecole polytechnique de Bruxelles
Pascal KOCKAERT
tel 02 650 48 55, fax 02 650 44 96, Pascal.Kockaert@ulb.ac.be
Campus du Solbosch
CP194/05, avenue F.D. Roosevelt 50, 1050 Bruxelles




unités de recherche


Centre transdisciplinaire de Recherche Optique et Information quantique [Optics and quantum information research center] (OptIQ)
OPERA - Photonique [OPERA-Photonics] (OPERA)



projets


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. ]

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.]

Optique non linéaire du graphène : de la caractérisation élémentaire à l'observation de solitons [Nonlinear optics in graphene : from basic characterization to observation of solitons.]
Ce projet vise à montrer que la réponse optique non linéaire d'ordre trois dans le graphène peut être utilisée pour les applications en photonique. Le graphène, une feuille de carbone bidimensionnelle, est un candidat prometteur pour la photonique intégrée et le traitement du signal tout-optique.Notre but est de compléter les caractérisations existantes de la non-linéarité du graphène en couplant l'induction de biréfringence par effet Kerr à la détection hétérodyne optique. Nous avons démontré que l'indice de réfraction non linéaire du graphène est négatif et nous visons à fournir une description claire et complète de la non-linéarité d'ordre trois du graphène mono et multi-couche.Par ailleurs, nous étudions expérimentalement l'utilisation de la nonlinéarité optique du graphène dans des structures photoniques intégrées pour le traitement tout-optique du signal . Il s'agira d'un pas important vers la réalisation de dispositifs à base de graphène, qui soient totalement optiques, compacts et peu énergivores. [ In this project we aim to demonstrate that the third order nonlinear optical response of graphene can be used for photonic applications.Graphene, a 2D carbon sheet, is a promising candidate material for integrated photonics and all-optical signal processing, as it is compact, compatible with CMOS-technology for photonic integrated circuits, and exhibits a high and broadband optical nonlinearity. Our goal is to complete the existing experimental characterization of the nonlinear optical properties of graphene, with the optical Kerr effect method coupled to optical heterodyne detection (OHD-OKE). We have demonstrated that graphene has a negative nonlinear refractive index and we intent to provide a clear and complete picture of the third order optical nonlinearity of monolayer and multilayer graphene at telecom wavelengths.Besides this, we experimentally explore the use of the optical nonlinearity of graphene in photonic integrated structures for all-optical signal processing. This would be an important step towards the realization of compact and low-power all-optical devices based on graphene.]

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.]

Rétroaction, amplification et compensation des pertes dans les cristaux liquides nématiques pour la transmission et la redirection des solitons brillants [Feedback, Amplification and Loss baLancing In Nematics for briGht Soliton Transmission And Redirection (FALLING STAR)]
Différents développements récents de la photonique répondent aux besoins des télécommunications optiques rapides, de l'imagerie médicale, des senseurs, des lasers accordables, ... Les critères d'évaluation de ces dispositifs sont : puissance consommée, bande passante et accordabilité. Les moyens tout-optiques ont la particularité très intéressante d'une consommation qui ne croît pas avec la bande-passante par canal. Les signaux optiques sont manipulés par la lumière grâce aux nonlinéarités. Combinées proprement avec la diffraction, la dispersion et la rétroaction, elles conduisent à la formation d'objets physiques nommés « solitons », conservant leurs profils spatial et/ou temporel en propagation et lors d'interactions. Les solitons s'utilisent pour manipuler la lumière, par exemple, dans des applications requérant des liens optiques rapides et reconfigurables. Ces objets perdent leurs propriétés attrayantes dans les milieux dissipatifs. Dans notre projet, nous exploiterons les récentes avancées des lasers à cristaux liquides pour créer un milieu qui amplifie la lumière et compense les pertes. Les cristaux liquides sont choisis pour leur fabrication aisée, haute non-linéarité et grande accordabilité opto-électronique. Notre travail débutera par la conception d'une géométrie de pompage adaptée où de vrais solitons (dits « nematicons » en cristaux liquides nématiques) se propagent et interagissent sur de longues distances. Ceci permettra de vérifier et adapter la modélisation des nématicons. Nous étudierons ensuite le régime de gain positif pour diverses rétroactions. A faible rétroaction, une dynamique spatiale et/ou temporelle similaire à celle des lasers fibrés décrits par une équation de Ginzburg-Landau cubico-quintique est attendue. L'inévitable rétroaction par diffusion devrait mener à un « laser aléatoire » (random lasing). Nos expériences et modélisations seront appuyées par des simulations numériques. [Recently, various fields of photonics have been developed to fill the need for fast optical communications, biomedical imaging, sensing devices, tunable lasers, etc. These devices are rated on their power consumption, channel bandwidth and tunability and are particularly interesting since all optical technologies present a power consumption that does not scale with the channel bandwidth. These optical signals can be manipulated by light by means of optical nonlinearities. When they are properly combined with diffraction, dispersion and feedback, nonlinearities can lead to the formation of physical objects called solitons, which retain their spatial or temporal intensity profile during propagation or interactions with each other. Solitons can be used in various ways to handle light in applications that require, for example, reconfigurable fast optical channels. However, these objects lose most of their appealing properties when propagating in media with losses.In our project we propose to build on recent advances of liquid crystal lasers to make a medium that amplifies light in order to compensate for the losses. Liquid crystals are selected for their easy manufacturing, high optical nonlinearities and versatile optoelectronic tuning. Our work will first concentrate on designing the appropriate pumping geometry to obtain a medium in which true solitons (called nematicons in nematic liquid crystals) can propagate and interact over long distances. This will allow to verify and adapt the modeling of nematicons. We will then investigate the positive gain regime in various feedback conditions. For a weak feedback, we expect to observe complex spatial and/or temporal dynamics similar to that of the fiber ring lasers described by a Cubic Quintic Ginzburg-Landau equation. The unavoidable random feedback induced by scattering should also lead to random lasing. We aim to support all the experiments by proper modeling and numerical simulations.]



theses


Kockaert, Pascal, « Dynamique non linéaire vectorielle de la propagation lumineuse en fibres optiques et caractérisation des phénomènes ultracourts associés », 2000



prix


SOLVAY AWARD (1998) décerné pour le travail de fin d'études : « Investigation théorique de phénomènes de propagation de solitons optiques par des méthodes semi-analytiques »

Prix Charles FRERICHS (1998) décerné par la Faculté des sciences appliquées de l'Université libre de Bruxelles pour avoir obtenu la moyenne des cotes la plus élevée de la Faculté durant les trois dernières années d'études.

SOLVAY AWARD (1998) décerné pour le travail de fin d'études : « Investigation théorique de phénomènes de propagation de solitons optiques par des méthodes semi-analytiques »

Prix Charles FRERICHS (1998) décerné par la Faculté des sciences appliquées de l'Université libre de Bruxelles pour avoir obtenu la moyenne des cotes la plus élevée de la Faculté durant les trois dernières années d'études



disciplines et mots clés déclarés


Lumière cohérente lasers Optique des fibres (électromagnétisme) Optique non linéaire Physique Sciences de l'ingénieur Technologie des télécommunications [télécommunications] Technologies de l'information et de la communication (TIC)

absorption saturable bistabilité cavité optique cristaux liquides dispersion doublement de période et chaos effet kerr fibre optique monomode graphène guide d'ondes semi-conducteur laser aléatoire nématicons nonlinear dynamics nonlinéarité optique du troisième ordre optique non linéaire optique non-linéaire rétroaction optique solitons spatial solitons traitement optique de l'information traitement tout optique du signal