Transcript mfes 2014 – 2015 opera - Université Libre de Bruxelles

École
polytechnique
de Bruxelles
Campus de Solbosch
Avenue F. Roosevelt, 50 –
CP 194/5
Service OPERA
Direction : Philippe EMPLIT
B - 1050 Bruxelles
T +32 (0)2 650 28 02
F +32 (0)2 650 44 96
mail [email protected]
0407 626 464
RPM Bruxelles
MFES 2014 – 2015
OPERA - PHOTONIQUE
ECOLE POLYTECHNIQUE DE BRUXELLES
Les sujets de Mémoires de fin d’études suivants sont
proposés, à titre principal, aux étudiants de 2e année du
grade de Master en Ingénieur civil physicien, Ingénieur civil
électricien (spécialisation télécommunications) ou aux
étudiants de 2e année du Master en Sciences physiques.
Les thèmes proposés s’intègrent dans la palette des activités
de recherche développées par le groupe Optique et
Photonique du Service OPERA.
LIQUID CRYSTALS: MODULATION INSTABILITY WITH GAIN NONLINEARITY
Informations : Pascal Kockaert & Serena Bolis
Étudiants concernés : Ir. physique, physiciens
Type : travail expérimental et/ou théorique
Collaboration : ELIS (Fac. sc. appl. UGent), notamment via Serena Bolis, doctorante en co-tutelle ULB-UGent
Mots clés : non-linéarités optiques, amplification optique, solitons spatiaux, photonique, cristaux liquides
MOTIVATION
Modulation instability (MI) is a universal effect
existing in many nonlinear systems and has been
studied in a wide range of fields including fluid
dynamics, plasma physics and nonlinear optics. It
means that perturbations of the plane wave solution
will get amplified along the propagation direction.
The explanation of this phenomenon is the energy
transfer between spectral modes, namely between
the zero-order mode (the plane wave) and higherorder Fourier components in the signal. When adding
a sinusoidal perturbation, this perturbation gets
amplified and under certain circumstances, after
some propagation distance, the perturbation
decreases again and the system returns to its initial
state. This phenomenon was first reported by Fermi,
Pasta and Ulam and is nowadays commonly called
FPU recurrence. The figure below shows simulations
of such a nonlinear system. The initial sinusoidal
perturbation is initially amplified. After reaching the
maximum amplification, the system can go back to
to the initial state or alternatively, it can lead to quite
complex behavior.
DESCRIPTION
Modeling and experimental demonstration of modulation instability, induced modulation instability and
recurrence has been done for materials with optical nonlinearities. In this thesis, the purpose is to extend the
model and/or provide experimental evidence that modulation instability also occurs in materials without optical
nonlinearity but with optical gain. Optical gain (e.g. due to stimulated emission) is also a form of nonlinearity.
NATURE DU TRAVAIL
Depending on the interest of the student, the focus of the thesis can be devoted more to theoretical work or
more to experimental work.
This means that the thesis may consist of the following tasks:
 Theory :
 Calculation of modulation instability for optical gain nonlinearity. Determination of the gain
coefficient and frequency with maximum gain.
 Investigation of the effect of deviations from pure gain: effect of saturability, etc
 Experiment :
 Devices need to be prepared with strong optical gain. These devices will be fabricated in
collaboration with UGent.
 Building an experimental setup including a pump laser to excite the laser dyes, a signal
beam which will be amplified and an imaging system.
 Comparison with theoretical calculations
CONTACT
Pascal KOCKAERT ([email protected]), Tél. 02 650 48 55
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
LIQUID CRYSTAL LASERS: STUDY OF THE OPTICAL REORIENTATIONAL EFFECT
ON THE LASING MODE
Informations : Pascal Kockaert & Serena Bolis
Étudiants concernés : Ir. physique, physiciens
Type : travail expérimental avec compréhension physique du comportement microscopique
Collaboration : ELIS (Fac. sc. appl. UGent), notamment via Serena Bolis, doctorante en co-tutelle ULB-UGent
Mots clés : cristaux liquides, lasers accordables, interactions lumière-structure microscopique, photonique
MOTIVATION
Cholesteric liquid crystals (CLC) are molecules that spontaneously dispose themselves in a one dimensional
periodic structure, creating an optical band-gap where the light is reflected. Mixing a laser dye in this material
that emits in the same range, we obtain stimulated emission in a distributed feedback structure leading to laser
emission. Moreover liquid crystals can be reoriented by electric fields, like the optical electric field of a laser
beam. This reorientation can influence the laser mode emission: in the center of the pump beam the molecules
can be reoriented forcing the laser emission on a ring pattern.
DESCRIPTION
The first part of the work will be the fabrication of the LC cell in the Ghent facilities in cooperation with Prof.
Jeroen Beeckman from the Universiteit Gent, in the framework of an existing collaboration (PhD student Serena
Bolis). The second part will be a continuation a previous Master thesis, where a threshold has been observed
above which the molecules staid reoriented if the pump was switched off abruptly, but they could restore their
initial position if the pump power was slowly decreased. This “optical treatment” can be thought in analogy
with the thermal treatment in metallurgy: if the material is rapidly cooled down, it is possible to freeze the
defects in the crystalline structure, while if the temperature is slowly decreased the material has the time to
reorganize itself in a regular structure.
The objective of the Master thesis is twofold:
Identify the origin of this stable deformation of the CLC, from a fundamental point of view;
Identify the parameters that determine the maximum output power of the liquid crystal lasers, with the aim to
improve their performances.
CONTACT
Pascal KOCKAERT ([email protected]), Tél. 02 650 48 55
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
MESURE DU COEFFICIENT OPTIQUE NON LINEAIRE DU GRAPHENE
Informations : Pascal Kockaert & Simon-Pierre Gorza
Étudiants concernés : Ir. physique, physiciens
Type : travail expérimental avec compréhension des principes physiques mis en œuvre
Mots clés : graphène, optique non linéaire, méthode de mesure, photonique
MOTIVATION
Depuis l'attribution en 2010 du prix Nobel de physique à Andre Geim et Konstantin Novoselov pour leurs
travaux sur le graphène, ce matériau a été fortement étudié. L'essentiel des travaux concerne les propriétés
électroniques uniques de ce matériau due à son caractère bidimensionnel.
Le graphène est également un matériau très prometteur pour les applications photoniques basées sur des
effets non linéaires. En effet, il présente à la fois une bonne compacité et une large bande-passante.
Bien que les études préliminaires montrent l'intérêt du graphène en photonique, la valeur de son coefficient
non linéaire ne fait pas encore consensus dans la communauté scientifique, notamment en raison de la mise
en œuvre délicate des méthodes de mesure traditionnelles sur un échantillon dont l'épaisseur est de l'ordre de
300 pm.
DESCRIPTION
Nous proposons le développement et la mise en œuvre expérimentale d'une méthode de mesure originale de la
non-linéarité, basée sur le décalage spectral induit par la non-linéarité à caractériser. Cette méthode devrait
permettre de lever les controverses existantes sur le signe et la valeur de la non-linéarité du troisième ordre du
graphène. La méthode repose sur la transposition dans le domaine temporel d'un principe de mesure dont
l'usage a été démontré dans le domaine spatial. Elle est donc originale tout en reposant sur des principes qui
ont déjà été éprouvés dans un autre contexte.
NATURE DU TRAVAIL
Le travail sera essentiellement de nature expérimentale. Après une familiarisation avec le principe de la
mesure, l'étudiant dimensionnera le système et le réalisera au laboratoire. Il testera ensuite son dispositif sur
des matériaux dont les coefficients non linéaires sont bien connus, ainsi que sur des échantillons de graphène.
CONTACTS
Pascal KOCKAERT ([email protected]), Tél. 02 650 48 55
Simon-Pierre GORZA ([email protected]), Tél. 02 650 28 01
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE AU SERVICE DES TELECOMMUNICATIONS
Informations : Serge Massar , Marc Haelterman, François Horlin
Étudiants concernés : Ir. physiciens, Ir. électriciens/électroniciens, Physiciens
Type : Collaboration entre Ecole Polytechnique (OPERA-Photonique) et Faculté des Sciences (Laboratoire
d’Information Quantique), et éventuellement (suivant le sujet choisi) OPERA-Wireless ou Reservoir Lab de
l’Université de Gand
Mots clés : intelligence artificielle, télécommunications, reservoir computing.
MOTIVATION
Notre projet de recherche a pour objectif la conception et la réalisation pratique de calculateurs analogiques
optiques de très grande bande passante. Notre démarche est basée sur l’exploitation du concept récent de
réseau neuronal de type « réservoir » dont la simplicité conceptuelle conduit à une grande facilité de mise en
œuvre. Ce concept combiné aux technologies des télécommunications optiques devrait nous permettre à terme
d’atteindre une cadence de traitement de l’information de 1 THz (1 itération par picoseconde), ce qui nous
permet d’envisager des applications nouvelles dans le domaine des télécommunications telles que
l’égalisation de canal à ultra-haut débit.
DESCRIPTION
Plusieurs axes de travail sont possibles :
- Etudier l’impact du bruit (inévitable lorsqu’on réalise un calculateur analogique) sur les performances du
système et concevoir des stratégies pour minimiser l’impact du bruit, ou même pour l’exploiter.
- Développer un banc de test d’égalisation de canal (suppression des distorsions dues aux imperfections du
canal de transmission RF) par « reservoir computing ».
NATURE DU TRAVAIL
Essentiellement Numérique et/ou Expérimental suivant le sujet choisi.
CONTACT
Prof. Marc HAELTERMAN ([email protected]), tél. 02 650 2821
Prof. Serge MASSAR ([email protected]), tél. 02 650 5446
Prof. François HORLIN (OPERA-Wireless) ou le Reservoir Lab de l’Université de Gand.
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
SUPERCONTINUUM GENERATION IN SILICON NANOWIRE
Informations : Simon-Pierre Gorza
Students: Ir Phys. , Sc.Phys
Type: Experimental and/or optimisation algorithm + numerical simulation of pulse propagation in nonlinear
media
Collaboration: Gent University, Lille University (USTL)
Keywords: supercontinuum generation, silicon nanowire, ultrashort pulse characterization, pulse compression,
and dispersive wave
Figures : The white light generated coming from a supercontinuum source is shown on the left.
The right picture shows a tiny silicon waveguide wrapped in a tiny coil on a chip.
MOTIVATION
Extreme spectral broadening that occurs when narrowband input pulses propagate in nonlinear optical media is
known as supercontinuum (SC) generation [1]. The integration of such sources still remains an important topic
in photonic research owing to their possible applications. Recently, we have demonstrated the generation of
supercontinuum in CMOS compatible silicon waveguides at telecommunication wavelengths [2]. Numerical
simulations of the pulse propagation show that, in the initial propagation stage, the pulse is compressed by a
factor of 5 from 150 femtosecond pulses, but this has not yet been experimentally confirmed or even observed.
On the other hand, the control of some properties of the SC through the optimization of the longitudinal profile
of the waveguide is now an important issue. Such a control has recently been successfully applied to the control
of the self-frequency shift of soliton in the context of propagation in photonic crystal fibers [3].
MASTER THESIS OBJECTIVES
Two master thesis are proposed on this topics:
1/ Measurement of the pulse compression that occurs in the first millimetres of propagation in silicon nanowire
waveguides. Because of the very small pulse energy, the challenging task will be to design and to build a highly
sensitive characterization technique such as XFROG [4].
2/ Numerical study of how the SC properties can be controlled through the use of an optimized longitudinal
profile shape (spectral width, spectral flatness, coherence, pulse duration, etc.). Promising structures will
eventually be realized and an experimental validation of the method will be conducted.
References
[1] J. M. Dudley, G. Genty, and S. Coen, Rev. Mod. Phys. 78, 1135 (2006).
[2] F. Leo, S-P Gorza, J. Safioui, P. Kockaert, S. Coen, U. Dave, B. Kuyken, and G. Roelkens, http://arxiv.org/abs/1401.5713
[3] A. Bendahmane, O. Vanvincq, A. Mussot, and A. Kudlinski, “Control of the soliton self-frequency shift dynamics using topographic
optical fibers”, Opt. Lett. 38, 3390 (2013)
[4] S. Linden, H. Giessen, and J. Kuhl, “XFROG: A New Method for Amplitude and Phase Characterization of Weak Ultrashort Pulses”,
phys. stat. sol. (b) 206, 119 (1998)
CONTACT
Simon-Pierre GORZA ([email protected]), Tél. 02 650 28 01
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
ON CHIP SOURCE OF FREQUENCY BIN ENTANGLED PHOTONS
Informations : Serge Massar & Simon-Pierre Gorza
Students : Ir Phys., Sc. Phys.
Type : Experimental (a good knowledge of quantum mecanics and optics is required).
Collaboration : Ecole Polytechnique (OPERA-Photonique), Faculté des Sciences (Laboratoire d’Information
Quantique) and Gent University.
Keywords: quantum optics, intergrated optics.
MOTIVATION
Quantum optics is the ultra low intensity limit of optics in which photons are manipulated and detected one by
one. In this regime novel feature emerge such as the impossibility of cloning, or entanglement (the quantum
correlations between pairs of photons), and novel applications are possible such as quantum cryptography and
quantum computers.
The teams at UGhent and ULB have shown in a recent collaboration how pairs of photons can be generated
using waveguides on silicon chips (similar to the chips used in the computer industry). The CMOS compatible
fabrication process could potentially lower the footprint and cost of traditional sources of entangled photons
considerably. In parallel the ULB team has introduced the concept of “frequency bin entanglement”, and
thereby demonstrated how the entanglement of photon pairs can be manipulated directly in the frequency
domain.
The aim of the present project is to create a bright, compact, on chip, source of frequency bin entangled photon.
DESCRIPTION
The work will consist of three main parts:
First it will be necessary to design the chips that will be used as photon pair source. In order to have a very
bright source compatible with the frequency entanglement experiment setup at ULB, ring resonators will be
used. The challenge will be to design the ring resonators such that the photon pairs are efficiently generated
(technically, such that the group velocity dispersion is zero and that the propagation loss is very low). Both
these properties can be fine tuned by the appropriate post-processing which will be done in the cleanroom of
Ghent University.
Secondly, after fabrication, these chips will be characterized both in the classical regime and in the quantum
regime where photon pairs are produced.
Third this novel source of frequency bin entangled photons will be evaluated using the experimental setup at
ULB. The quality of the source will be measured by the violation of a Bell inequality.
A commercial component for generating photon pairs is shown in the top figure. Below are typical very small
photonic components that can be fabricated on a silicon chip
CONTACT
Serge Massar ([email protected]), Tél. 02 650 5446
Simon-Pierre GORZA ([email protected]), Tél. 02 650 28 01
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
SOFT ROBOTICS » ET INTELLIGENCE ARTIFICIELLE
Informations : Serge Massar, Marc Haelterman, Denis Terwagne
Étudiants concernés : Ingénieurs Electro-mécaniciens, Ingénieurs Physiciens, Physiciens.
Collaboration : Ecole Polytechnique (OPERA-Photonique) et Faculté des Sciences (Laboratoire d’Information
Quantique et Science des Polymères – Matière Molle)
Mots clés : Robotique, Intelligence Artificielle
MOTIVATION
Un développement très récent en robotique est la conception de robots qui, à l’image de beaucoup d’être
vivants, sont constitués de matériaux mous. Contrairement aux robots traditionnels « rigides », ces robots
auraient l’avantage d’être bon marchés, les matières plastiques sont en effet beaucoup moins chers que les
métaux; plus robustes, un robot mou est intrinsèquement résistant aux chocs; et capables de tâches nouvelles
comme interagir et évoluer de manière plus efficace avec leur environnement ou encore manipuler délicatement
des objets fragiles.
Ce travail ambitieux de conception débute par une compréhension fondamentale de la morphologie et des
fonctionnalités des organismes vivants mous (exemples langue du lézard, chenille, végétaux) ainsi que leur
adaptation à leur environnement naturel. Cette approche conjuguée à de nouvelles techniques de fabrications
digitales sera la clé de la conception de robots mous possédant de nouvelles fonctionnalités. Pour leur
contrôle, ces robots nécessiteront l’implémentation d’algorithmes issus des dernières avancées en terme
d’intelligence artificielle tel que le reservoir computing.
Les challenges dans ce domaine sont :
- La conception de nouveaux robots, avec des actuateurs et senseurs adaptés, capables de fonctionnalités
nouvelles.
- L’implémentation de nouvelles manières de contrôler ces robots qui est très différent du contrôle des robots
traditionnels (robots rigides).
DESCRIPTION
Plusieurs axes de travail sont possibles :
- Concevoir, construire et tester des robots nouveaux (par exemple des robots adaptés à des milieux contraints
inspirés des vers ou des chenilles, ou au milieu liquide, inspirés par la pieuvre, des seiches, et certains
poissons).
- Développer un banc de test pour robots mous.
- Développer et tester des algorithmes de contrôle pour robots mous.
NATURE DU TRAVAIL
Suivant le sujet, le travail peut être essentiellement de la fabrication (travail liée à la conception d’objets 3D, à
la chimie des polymères), ou de l’électronique et de la programmation (contrôle et test des robots).
Robot mou quadrupède et robot mou inspiré de la chenille (MIT et Tufts university).
CONTACT
Marc Haelterman ([email protected]), Tél. 02 650 2821
Serge Massar ([email protected]), Tél. 02 650 5446
Denis Terwagne ([email protected]). Tél. 02 650 5788
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A