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OPERA - Photonique [OPERA-Photonics] (OPERA)
Faculté des Sciences appliquées - école polytechnique / Brussels School of Engineering (Faculty of Applied Sciences) - Physique et Mathématique (unité ULB695)

Le Service OPERA-photonique poursuit des activités de recherche, fondamentales et appliquées, dans les domaines suivants : l'optique non linéaire, l'optique guidée, l'optique des phénomènes ultracourts, l'optique quantique, la biophotonique. Le volet optique du Service s'intègre dans la structure de recherche OptIQ (regroupant le Laboratoire d'information quantique, le centre d'étude de l'information et de la communication quantiques et notre laboratoire) et couvre, notamment, l'étude des solitons optiques, spatiaux et temporels, scalaires et vectoriels, se propageant en milieu guidant ou libre. Ces sujets sont à la frontière entre l'étude physique des propriétés fondamentales de l'optique non linéaire et l'étude de solutions pratiques pour le traitement totalement optique de l'information, mettant à profit le guidage auto-induit intrinsèque à la propagation soliton. En outre, des travaux concernent les propriétés des cavités optiques actives et passives. Les potentialités et les limitations fondamentales de l'amplification optique par diffusion Raman stimulée et mélange à quatre ondes (et l'influence de leurs interactions mutuelles) dans les systèmes de transmission optiques fibrés à ultrahauts débits sont également abordées. De plus, notre laboratoire s'intéresse à l'interaction lumière-matière au niveau quantique et à la réalisation de sources de lumière non classiques (émetteurs de photons uniques ou de paires de photons). Ces sujets sont abordés pour leurs aspects fondamentaux mais aussi pour leurs applications au traitement et à la communication quantique de l'information, notamment à la cryptographie quantique. Enfin, le groupe s'intéresse aux problèmes liés à la métrologie et au traitement optique des signaux à l'échelle de la femtoseconde. Le domaine d'applications de ces travaux s'étend des télécommunications au traitement totalement optique de l'information. Le groupe optique du Service est une composante de l'école doctorale « Interactions photons-matière ». [Research activities of OPERA-Photonics deal, from both a fundamental and an applied point of view, with the following topics: nonlinear optics, fiber optics , ultrafast phenomena, quantum optics, biophotonics. The optics group is part of the research unit OptIQ (involving the Laboratory of Quantum Information, the Centre for Quantum Information and Communication and our laboratory), which studies spatial and temporal, scalar and vectorial, optical soliton propagation in guiding and bulk media. These subjects lie on the border of fundamental research about essential topics of nonlinear optics, and applied solutions for all-optical handling of information, on the basis of intrinsic self-guiding properties of solitons. Another aspect of the OptIQ research concerns active and passive optical cavities. The potential and fundamental limitations of the optical amplification by stimulated Raman scattering and four-wave mixing (as well as their interactions) in fiber DWDM systems is also considered. Research on the use of optics to handle quantum information is another topic of research, namely including the confidential transmission of information based on quantum cryptography. The group is also active in the domain of metrology and optical signal processing on a femtosecond time scale. The application area of OptIQ works covers telecommunication as well as optical information processing. The optics group is active in the doctoral school entitled ''Photons-Matter Interaction''. ]



coordonnées / contact details


OPERA - Photonique [OPERA-Photonics]
tel +32-2-650.27.70, fax +32-2-650.44.96, philippe.emplit@ulb.ac.be
http://www.ulb.ac.be/facs/polytech/opera/
Campus du Solbosch, Bâtiment C, Niveau 3, Local C3.122A
CP194/05, avenue F.D. Roosevelt 50, 1050 Bruxelles

Pour en savoir plus, consultez le site web de l'unité.



responsables / head


Simon-Pierre GORZA Prof. Philippe EMPLIT Prof. Marc HAELTERMAN


composition / members


Serena BOLIS Olivier DECROLY Robin DE GERNIER Jean-Rémi DIERICKX Evangelia DIMITRIADOU Evdokia DREMETSIKA Michaël FITA CODINA François GONZE Hassan IMATOUCHAN Philippe JANS Wosen KASSA Pascal KOCKAERT François LEO Yves LOUIS Serge MASSAR Nicolas PETTIAUX Nicolas POULVELLARIE Stéphane SONMEREYN Maïté SWAELENS Michaël THEUNISSEN Guillaume TILLEMA Didier VANDERVEKEN


projets / projects


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. ]

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.]

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.]

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.]

Photonique hautement efficace sur silicium : interactions non-linéaires ultrarapides sur puce dans le cadre d'analogies aux horizons des événements optiques [High efficient silicon photonics: on-chip ultrafast nonlinear interactions at an optical event horizon]
Problem statementNonlinear interactions between linear waves and solitons have attracted a tremendous amount of interest in the scientific community for many years. In this framework, interactions between waves of similar group velocities particularly draw the attention of researchers for their potential useful applications such as frequency converters or for future optical transistor-like devices. In this particular process, the propagation of an intense solitonic pump in a Kerr medium induces a moving refractive index perturbation, which in turn leads to a frequency conversion of a weak probe wave through a cross-phase modulation process. Since this interaction take place in a dispersive medium, the frequency conversion of the probe in the spectral domain alters the velocity of the probe that is either accelerated or decelerated, preventing any crossing between the two waves. Recently, this effect has been reinterpreted as the optical analogue of the event horizon of black and white holes, as the intense pulse constitutes a horizon that light can neither join nor escape. These so-called optical event horizons have thus also largely been studied for their analogy with general relativity and in particular with the Hawking radiation. Numerous experimental and theoretical studies have been investigated, in various configurations. However, owing to the essential role played by the dispersion properties of the structure for the observation of an optical event horizon, almost all these demonstrations have been performed in photonic crystal fibers (PCFs), for which quasi on-demand dispersion properties can be engineered. On the other hand, silicon integrated nanophotonic waveguides have already proved their great potentialities in nonlinear optics, as for instance, for the supercontinuum generation. Moreover, their fully CMOS-compatible structures, make these structures very promising for high efficiency, low cost and low power useful applications.The aim of this project is to demonstrate such optical event horizon interactions and their related effects in silicon nanophotonic waveguides. Contributions' First demonstration of an optical event horizon in integrated structure by the interaction of an intense pulse and a low power CW probe.' Demonstration of an optical event horizon in silicon nanophotonic waveguide by the interaction of an intense pulse on a cross-polarized CW probe. The very different dispersion properties of the two polarizations lead, among others, to a higher conversion efficiency.ContactDr. Charles Ciret (Charles.ciret@ulb.ac.be)Prof. Simon-Pierre Gorza (sgorza@ulb.ac.be) [Problem statementNonlinear interactions between linear waves and solitons have attracted a tremendous amount of interest in the scientific community for many years. In this framework, interactions between waves of similar group velocities particularly draw the attention of researchers for their potential useful applications such as frequency converters or for future optical transistor-like devices. In this particular process, the propagation of an intense solitonic pump in a Kerr medium induces a moving refractive index perturbation, which in turn leads to a frequency conversion of a weak probe wave through a cross-phase modulation process. Since this interaction take place in a dispersive medium, the frequency conversion of the probe in the spectral domain alters the velocity of the probe that is either accelerated or decelerated, preventing any crossing between the two waves. Recently, this effect has been reinterpreted as the optical analogue of the event horizon of black and white holes, as the intense pulse constitutes a horizon that light can neither join nor escape. These so-called optical event horizons have thus also largely been studied for their analogy with general relativity and in particular with the Hawking radiation. Numerous experimental and theoretical studies have been investigated, in various configurations. However, owing to the essential role played by the dispersion properties of the structure for the observation of an optical event horizon, almost all these demonstrations have been performed in photonic crystal fibers (PCFs), for which quasi on-demand dispersion properties can be engineered. On the other hand, silicon integrated nanophotonic waveguides have already proved their great potentialities in nonlinear optics, as for instance, for the supercontinuum generation. Moreover, their fully CMOS-compatible structures, make these structures very promising for high efficiency, low cost and low power useful applications.The aim of this project is to demonstrate such optical event horizon interactions and their related effects in silicon nanophotonic waveguides. Contributions' First demonstration of an optical event horizon in integrated structure by the interaction of an intense pulse and a low power CW probe.' Demonstration of an optical event horizon in silicon nanophotonic waveguide by the interaction of an intense pulse on a cross-polarized CW probe. The very different dispersion properties of the two polarizations lead, among others, to a higher conversion efficiency.ContactDr. Charles Ciret (Charles.ciret@ulb.ac.be)Prof. Simon-Pierre Gorza (sgorza@ulb.ac.be)]

Intelligence Artificielle : Implémentation Optique - Théorie - Neurosciences [Intelligence Artificielle : Implémentation Optique - Théorie - Neurosciences]
Intelligence Artificielle : Implémentation Optique ' Théorie ' NeurosciencesL'intelligence artificielle a fait des progrès très impressionants ces dernières années (par exemple en battant le champion du monde de go).Notre équipe veut exploiter ces avancées en adoptant une approche centrée sur l'expérience, et sur un algorithme particulier, le « reservoir computer ».1) Calculateurs analogiques optiques inspirés du cerveau.Est ce qu'on peut réaliser des systèmes de calculs nouveaux, analogiques, inspirés du cerveau ? Notre équipe explore comment réaliser de tels systèmes en optique. Les systèmes réalisés jusqu'à présent permettent de faire par exemple de la reconnaissance vocale simple. Nos objectifs actuels sont de réaliser des systèmes ultra rapides et parallèles, qui pourraient être utilisés pour des applications en télécommunications.2) Contrôle de robot mous. Un robot mou a la particularité de posséder peu d'actuateurs mais d'avoir une dynamique complexe due à la flexibilité du robot. Cela rend une simulation précise du robot difficile et l'impossibilité d'utiliser les algorithmes standards de contrôle utilisé en robotique rigide. Nous explorons comment les algorithmes d'intelligence artificielle peuvent être utilisés pour cette tâche.3) Nous utilisons les dernières avancées en intelligence artificielle pour comprendre comment le cerveau calcule. Plus précisément, nous évaluons les capacités de calcul et de traitement de l'information d'un modèle numérique d'une petite partie du cerveau. [Intelligence Artificielle : Implémentation Optique ' Théorie ' NeurosciencesL'intelligence artificielle a fait des progrès très impressionants ces dernières années (par exemple en battant le champion du monde de go).Notre équipe veut exploiter ces avancées en adoptant une approche centrée sur l'expérience, et sur un algorithme particulier, le « reservoir computer ».1) Calculateurs analogiques optiques inspirés du cerveau.Est ce qu'on peut réaliser des systèmes de calculs nouveaux, analogiques, inspirés du cerveau ? Notre équipe explore comment réaliser de tels systèmes en optique. Les systèmes réalisés jusqu'à présent permettent de faire par exemple de la reconnaissance vocale simple. Nos objectifs actuels sont de réaliser des systèmes ultra rapides et parallèles, qui pourraient être utilisés pour des applications en télécommunications.]

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.]

Amélioration de la résolution spatiale en microscopie multiphotonique par saturation de la fluorescence
Dans le cadre de ce projet, nous nous proposons de développer une méthode permettant d'améliorer sensiblement la résolution spatiale en microscopie multiphotonique en se basant sur l'effet de saturation du signal de fluorescence. Une méthode similaire a récemment été proposée dans la littérature dans le contexte de la microscopie confocale. Il peut paraître paradoxal que la saturation du signal de fluorescence puisse améliorer la résolution spatiale. En effet, en première analyse, celle-ci devrait conduire à une déformation de la PSF par rapport au cas non saturé et donc à une diminution de la résolution spatiale. Cependant, lorsque le signal d'illumination est modulé périodiquement à la fréquence w et que l'amplitude crête du signal de modulation est suffisante pour entrer en régime de saturation du signal de fluorescence, des harmoniques d'ordre supérieur (2w, 3w,...) vont apparaître dans le signal de fluorescence. Ces harmoniques seront présentes dans le signal de fluorescence modulé parce que la relation entre l'intensité d'illumination et l'intensité de fluorescence n'est plus linéaire lorsque l'on s'approche du régime de saturation. Ainsi, si la démodulation du signal de fluorescence se fait non pas sur la première harmonique mais sur une harmonique supérieure (p.ex. 2w), il est possible de montrer que la résolution spatiale, tant axiale que latérale, est améliorée, car le signal harmonique est préférentiellement généré au centre de la fonction d'étalement du point. [Dans le cadre de ce projet, nous nous proposons de développer une méthode permettant d'améliorer sensiblement la résolution spatiale en microscopie multiphotonique en se basant sur l'effet de saturation du signal de fluorescence. Une méthode similaire a récemment été proposée dans la littérature dans le contexte de la microscopie confocale. Il peut paraître paradoxal que la saturation du signal de fluorescence puisse améliorer la résolution spatiale. En effet, en première analyse, celle-ci devrait conduire à une déformation de la PSF par rapport au cas non saturé et donc à une diminution de la résolution spatiale. Cependant, lorsque le signal d'illumination est modulé périodiquement à la fréquence w et que l'amplitude crête du signal de modulation est suffisante pour entrer en régime de saturation du signal de fluorescence, des harmoniques d'ordre supérieur (2w, 3w,...) vont apparaître dans le signal de fluorescence. Ces harmoniques seront présentes dans le signal de fluorescence modulé parce que la relation entre l'intensité d'illumination et l'intensité de fluorescence n'est plus linéaire lorsque l'on s'approche du régime de saturation. Ainsi, si la démodulation du signal de fluorescence se fait non pas sur la première harmonique mais sur une harmonique supérieure (p.ex. 2w), il est possible de montrer que la résolution spatiale, tant axiale que latérale, est améliorée, car le signal harmonique est préférentiellement généré au centre de la fonction d'étalement du point.]



publications





theses


Vinckier, Quentin, ''Analog bio-inspired photonic processors based on the reservoir computing paradigm'', 2016

Nguyen, Anh Dung, ''Amélioration de la resolution spatiale en microscopie multiphotonique par saturation de lafluorescence'', 2015

Olislager, Laurent, ''Manipulating frequency-entangled photons'', 2014

Bury, Thomas, ''Collective behaviours in stock market - A maximum entropy approach'', 2013

Clemmen, Stéphane, ''Optique quantique dans des structures guidantes en silicium. Caractérisation non linéaire, génération et manipulation de paires de photons'' Dissertation originale, Faculté des sciences appliquées, Service OPERA, Université Libre de Bruxelles, Promoteur: Serge Massar, Co-promoteur: Philippe Emplit, 2010

LEO, François, ''Etude des structures dissipatives dqns les cavités optiques passives -Théorie et expérience.'' Dissertation originale, Faculté des sciences appliquées, Service OPERA, Université Libre de Bruxelles, Directeur de thèse : Marc Haelterman, Co-directeur de thèse : Phillipe Emplit, 2010

Nguyen, Anh Tuan: ''Utilisation de l'optique fibrée pour la manipulation et la génération d'états quantiques : pile ou face quantique et paires de photons'', 2007

Brainis, Edouard : « Utilisation de l'optique fibrée pour l'ingénierie quantique : du support passif aux sources »., 2006

Gorza, Simon-Pierre, « Étude expérimentale de la propagation non linéaire dans les guides optiques plans : instabilité serpentine et soliton de Bragg », 2004

Vanholsbeeck, Frédérique, « La diffusion Raman et ses interactions avec le mélange à quatre ondes dans les fibres optiques : des fondements aux applications », 2003

Van Simaeys, Gaetan, « Instabilité, solitons et solhiatons : une approche expérimentale de la dynamique non linéaire en fibres optiques », 2002

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

Coen, S., ''Passive nonlinear optical fiber resonators : fundamentals and applications'', Dir. Prof. M. Haelterman, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1999

Haelterman, M., ''Instabilités modulationnelles et solitons optiques'', Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1999

Delplancke, F., ''Conception et réalisation d'un appareil mesurant la diffusion de la lumière polarisée en vue de la mesure et du contrôle industriel d'états de surface et de suspensions de particules'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1997

Hamaide, J.-P., ''Contribution théorique et expérimentale à l'étude de la propagation de solitons dans les liaisons amplifiées à fibre optique monomode'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1997

Badolo, M., ''Theoretical study of modal dispersion characteristics in weakly guiding optical fibers and its application to color domain wall propagation'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1996

Dubois, F., ''Reconnaissance optique de formes par la méthode des filtres de corrélation non-redondants. Application à l'invariance des rotations dans le plan.'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Faculté des Sciences, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1992

Emplit, Ph., ''Etude expérimentale de la propagation d'impulsions optiques picosecondes dans les fibres monomodes de silice'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Faculté des Sciences, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1992

Haelterman, M., ''Contribution à l'étude de l'optique non linéaire dans les guides et les cavités : propagation non linéaire et bistabilité'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1989

Mestdagh, D., ''Contribution à l'étude de la propagation d'impulsions lumineuses ultra-courtes dans les milieux dispersifs et à non linéarité du type Kerr'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1988

Steinblatt, S., ''Une théorie vectorielle synthétique de la fibre optique circulaire et anisotrope'', Dir. Prof. J. Ebbeni, Service d'Optique et d'Acoustique, ULB, Bruxelles, 1984



collaborations


Pr Alain Barthelemy, Université de Limoges, Institut de recherche en communications optique et microondes (IRCOM), Limoges, France

Pr Irina Veretennicoff, Vrije Universiteit Brussel, Faculteit Toegepaste Wetenschappen, Toegepaste Natuurkunde, Bruxelles, Belgique

Pr Patrice Mégret, Faculté Polytechnique de Mons, Chaire d'électromagnétisme et de télécommunications, Mons, Belgique

Pr Guy Millot, Université de Bourgogne, Faculté des Sciences, Laboratoire de Physique, Dijon, France

Pr Kristiaan Neyts, Universiteit Gent, ELIS, Gand, Belgique

Dr Hervé Maillotte, Université de Franche-Comté, FEMTO-S-T, Besançon, France

Pr Stéphane Coen, Université d'Auckland, Physics Department, Auckland, Nouvelle Zélande

Pr Sophie LaRochelle, Université Laval, Centre d'optique, photonique et laser, Québec, Canada

Pr Roel Baets, Universiteit Gent, OPTO, Gand, Belgique

Pr Levon Mouradian, Yerevan State University (YSU), Faculty of Physics, Yerevan, Turquie

Dr Antonio Picozzi, Université de Bourgogne, Faculté des Sciences, Laboratoire de Physique, Dijon, France

Pr Lawrence Chen, Université Mc Gill, Department of Electrical and Department of Electrical and Computer Engineering, Montréal, Canada

Pr José Azaña, Université du Québec, INRS Énergie, Matériaux et Télécommunications, Montréal, Canada

Pr Nicolas Gisin, Université de Genève, Physique, Genève, Suisse

Pr Zeger Hens, Universiteit Gent, Anorganische en fysische chemie, Gand, Belgique

Dr Frédérique Vanholsbeeck, Université d'Auckland, Physics Department, Auckland, Nouvelle Zélande

Pr Véronique Moeyaert, Faculté Polytechnique de Mons, Service d'électromagnétisme et de télécommunications, Mons, Belgique

Dr Piotr Wasylczyk, Warsaw University, Institute of Experimental Physics, Varsovie, Pologne

Dr Thibaut Sylvestre, Université de Franche-Comté, FEMTO-S-T, Besançon, France

Pr Jan Van Campenhout, Universiteit Gent, Electro-Optic Systems, Gand, Belgique

Pr Hugo Thienpont, Vrije Universiteit Brussel, Department of Applied Physics and Photonics, Bruxelles, Belgique

Pr Majid TAKI, Université des Sciences et Technologies de Lille, Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PHLAM)Centre d'Etudes et de Recherches Lase, Lille, France

Pr Ian A. Walmsley, Oxford University, Clarendon Laboratory, Oxford, Grande-Bretagne

Pr Axel Kuhn, Oxford University, Clarendon Laboratory, Oxford, Grande-Bretagne

Dr David Amans, Université Claude Bernard, Lyon I, Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, Lyon, France

Dr Kien Phan Huy, Université de Franche-Comté, FEMTO-S-T, Besançon, France

Dr Pawel Mergo, Sklodowska University, Zaklad Technologii Swiatlowodow, Lublin, Pologne

Pr Peter G. Kazansky, University of Southampton, Otpelectronics research center, Southampton, Grande-Bretagne

Dr Andrei Fotiadi, Faculté Polytechnique de Mons, Electromagnétisme et télécommunications, Mons, Belgique

Pr Ingo FISCHER, Universitat de les Iles Balears, IFISC Institute for Cross-Disciplinary Physics and Complex Systems (UIB-CSIC), Palma de Mallorca, Espagne

Pr Nicolas GODBOUT, Ecole Polytechnique de Montréal, Département de génie physique, Montréal, Canada

Pr Axel KUHN, University of Oxford, Department of Physics, Clarendon Laboratory, Oxford, Grande-Bretagne

Dr Christopher MONROE, NIST, Time and frequency Division, Boulder, Etats-Unis (USA)

Pr Stefano TRILLO, Universita dgli studi di Ferrara, Dipartimento di Ingegneria, Ferrara, Italie

Pr Stefan WABNITZ, Universita di Brescia, Dipartimento di Ingegneria dell'informazione, Brescia, Italie

Dr Erwin BENTE, Technische Universiteit Eindhoven, Department of Electrical Engineering, Eindhoven, Pays-Bas

Pr Marc SCIAMANNA, Supélec-Metz, Electronics Research Group, Metz, France

Pr Bernard DECONINCK, University of Washington, Department of Applied Mathematics, Washington, Etats-Unis (USA)

Pr Lawrence CHEN, Université Mc Gill, Department of Electrical and Computer Engineering, Montréal, Canada

Pr Carlos MONTES, Université de Nice- Sophia Antipolis, Laboratoire de Physique, Matière Condensée, Nice, France

Dr Stéphane CLEMMEN, Cornell University, School of Applied and Engineering Physics, Ithaca, Etats-Unis (USA)



prix / awards


Prix J. GUILISSEN (1992) attribué pour les travaux effectués dans le domaine de la physique au sein de l'Université Libre de Bruxelles - Philippe EMPLIT

Prix FABRY DE GRAMONT (1995), décerné pour les travaux sur les solitons vectoriels par la Société française d'optique (SFO) et le Groupement des industries françaises de l'optique (GIFO) - Marc HAELTERMAN

Prix PANKOWKY-KIPFFER (1984) attribué à Marc HAELTERMAN pour son travail de fin d'études effectué dans le domaine de la Physique au sein de la Faculté des Sciences Appliquées de l'Université Libre de Bruxelles. - Marc HAELTERMAN

Prix ALCATEL BELL (1997) attribué par la Société Alcatel Bell et le Fonds national de la recherche scientifique (FNRS) pour une étude originale sur un concept nouveau dans le domaine des télécommunications. - Philippe EMPLIT Marc HAELTERMAN

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 » - Pascal KOCKAERT

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 - Pascal KOCKAERT

Prix Charles FRERICHS (2002) 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. - Simon-Pierre GORZA

SOLVAY AWARD (2002) décerné pour le travail de fin d'études : « Tomographie interférométrique pour la mesure de distributions tridimensionnelles de température dans un liquide » - Simon-Pierre GORZA

Prix DE BOELPAEPE (2001) attribué par la Classe des sciences de l'Académie royale de Belgique, pour une contribution originale à la photographie et autres formes de l'imagerie (saisie, traitement, stockage et transmission d'information optique). - Philippe EMPLIT Marc HAELTERMAN

SOLVAY AWARD (1994) décerné à Françoise DELPLANCKE pour le travail de fin d'études : ''Etude de surfaces par une méthode de dépolarisation de la lumière''.

Prix Charles FRERICHS (1997) 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. - Stéphane COEN

Prix de la Société belge de physique pour le meilleur mémoire de travail de fin d'études en physique expérimentale - Frédérique VANHOLSBEECK

IEEE/LEOS, section japonaise (2003). Prix du jeune scientifique décerné dans le cadre de la conférence internationale « Optical Amplifiers and Their Applications'2003 », se tenant à Otaru (Japon) - Frédérique VANHOLSBEECK



savoir-faire/équipements / know-how, equipment


Détecteur à photons uniques dans l'infra-rouge et le visible.

Détecteurs ultrarapides dans le domaine des longueurs d'onde 532 - 1600 nm (caméra à balayage de fente [''synchroscan streak camera''], photodiodes et oscilloscopes à échantillonnage [jusque 50 GHz], analyseur de spectre RF [40 GHz]).

Sources laser nano, pico et/ou subpicosecondes dans le domaine des longueurs d'onde de 532 à 1600 nm (OPO, Ti:Saphir, Nd:YAG, Er:verre, Dye, semiconducteur).

Équipements d'analyse spectrale et d'analyse spectrale résolue dans le temps (analyseur de spectre optique [''OSA''], spectrographes à réseaux, analyseur interférométrique de Fabry-Perot.

Équipements liés à la technologie des fibres optiques de silice (soudeuse pour fibres [uni- ou multimodes, avec ou sans maintien de polarisation, dopées ou non dopées à l'Erbium], cliveuses, différents types de fibres [uni- ou multimodes, avec ou sans maintien de polarisation, dopées ou non dopées à l'Erbium]...)



mots clés pour non-spécialistes / keywords for non-specialists


métrologie de phénomènes optiques optique guidée optique non linéaire optique quantique photonique


disciplines et mots clés / disciplines and keywords


Biophysique Electronique quantique Intelligence artificielle Lumière cohérente lasers Optique 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 biophotonique bistabilité cavité optique communications quantiques cristaux liquides dispersion doublement de période et chaos effet kerr fibre optique monomode graphène guide d'ondes semi-conducteur laser aléatoire multiphoton nanophotonique nématicons nonlinear dynamics nonlinéarité optique du troisième ordre optique optique intégrée optique non linéaire optique non-linéaire optique quantique paire de photons photonique réseau de neurones optique reservoir computing résolution rétroaction optique sax microscopie soi solitons spatial solitons traitement optique de l'information traitement tout optique du signal


codes technologiques DGTRE


Applications technologiques des lasers Électromagnétisme, optique, acoustique Matériaux optiques Techniques d'imagerie et traitement d'images Télécommunications