MFEs 2016-2017 OPERA - Photonique Ecole polytechnique

MFEs 2016-2017
OPERA - Photonique
Ecole polytechnique de Bruxelles
Les sujets de Mémoires de fin d’études suivants sont proposés, à titre
principal, aux étudiants en Master 2 des orientations Ingénieur civil
physicien et Sciences physiques
Les thèmes proposés s’intègrent dans la palette des activités de recherche
développées par le groupe Photonique du Service OPERA.
École
polytechnique
de Bruxelles
Campus de Solbosch
Avenue F. Roosevelt, 50 - CP 194/5
Service OPERA
Direction : Yves LOUIS
B - 1050 Bruxelles
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Génération d’ondes scélérates optiques lors de la formation de supercontinuum par instabilité de
modulation spontanée dans des guides nano-photoniques
Nature du travail : travail numérique
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Collaboration : Université des Sciences et Techniques de Lille (USTL), laboratoire PhLAM
Mots clés : nano-photonique, onde scélérate (rogue waves), génération de supercontinuum, photonique intégrée sur silicium,
optique non linéaire
MOTIVATION
A l’instar des vagues scélérates, ou vagues géantes, au milieu des océans, les ondes scélérates optiques sont des
impulsions lumineuses dont l’amplitude est anormalement élevée. Les similitudes importantes entre les modèles de
propagation non linéaires en hydrodynamique et en optique (équation de Schrödinger non linéaire) permettent de
mieux cerner la physique de génération des vagues géantes grâce à leur étude dans le domaine de l’optique, plus
accessible par l’expérience. Ces dernières années, la génération d’ondes scélérates dans les fibres optiques
hautement non linéaires a été largement étudiée, entre autre par le laboratoire PhLAM [1,2]. Dans les structures non
linéaires nanométriques telles que les guides sur puces photoniques en silicium sur silice, la formation de ces ondes
scélérates lors de la génération de supercontinuum est par contre très peu connue. Les supercontinuums sont
généralement issus d’un élargissement spectral dramatique d’un faisceau laser dans un milieu optique fortement non
linéaire et trouvent des applications dans le domaine des senseurs, en métrologie ou pour l’imagerie en biologie [3].
OBJECTIFS DU MEMOIRE
L’objectif du mémoire est d’étudier les conditions et l’occurrence de la formation d’ondes scélérates optiques lors de
la génération de supercontinuum par instabilité de modulation dans des guides d’ondes nanométriques. Le travail se
focalisera sur les structures en silicium sur silice ainsi que sur les récentes structures en GaN sur silice ainsi qu’en
silice. La diversité des paramètres des modèles de propagation dans ces diverses structures (équation de Schrödinger
non linéaire généralisée) permettra de mettre en évidence le rôle joué par les pertes non linéaires et les porteurs
libres dans le processus de génération d’ondes scélérates optiques. Le travail sera réalisé en étroite collaboration
avec le laboratoire PhLAM de l’Université de Lille qui a développé des techniques spécifiques pour étudier la
formation des ondes scélérates.
REFERENCES
[1] Observation of extreme temporal events in CW-pumped supercontinuum , A. Mussot et al., Opt. Express 17 (19),
17010 (2009).
[2] Third-order dispersion for generating optical rogue solitons, M. Taki et al., Phys. Lett. A 374, 691-695 (2010).
[3] Supercontinuum generation in photonic crystal fibers, J. M. Dudley, G. Genty, and S. Coen, Rev. Mod.Phys. 78,
1135 (2006).
CONTACT
Simon-Pierre Gorza (sgor[email protected]), Tel. [phone]
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A, OPERA department

Génération d’ondes dispersives cohérentes dans l’infrarouge moyen dans les guides d’onde
nanométriques en silicium
Nature du travail : travail expérimental supporté par des simulations numériques
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Collaboration : Université de Gand, Photonic Research Group
Mots clés : nano-photonique, génération de supercontinuum, ondes dispersives, photonique intégrée sur silicium, optique
non linéaire
MOTIVATION
La génération de supercontinuum (SC) est le mécanisme par lequel une impulsion ou un faisceau laser voit son
spectre dramatiquement élargit par propagation dans un milieu à forte non linéarité optique. Les supercontinuums
ainsi obtenus trouvent des applications par exemple dans le domaine des senseurs ou en métrologie [1]. Lors de la
formation d’un SC, une ou plusieurs ondes dispersives sont émises à des longueurs d’onde éloignées de la longueur
d’onde de l’impulsion incidente. L’émission d’ondes dispersive est donc un moyen pour générer de la lumière
cohérente à des longueurs d’onde plus difficilement atteignables par d’autres techniques. En principe, dans les
guides nanométriques en silicium il est possible de générer une onde dispersive très intense dans l’infrarouge
moyen à 2,5 m et au-delà en partant de sources pulsées commercialement disponibles entre 1,5 m et 2 m [2].
Cela permettrait d’obtenir des sources intégrées, et donc compactes et énergétiquement efficaces, dans cette gamme
de longueur d’onde, avec des intérêts par exemple pour la mesure, sur puce photonique, de la concentration de
glucose dans le sang.
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Le but du travail est de caractériser expérimentalement la lumière générée dans l’onde dispersive dans l’infrarouge
moyen lors de la génération de supercontinuum dans les guides d’onde nanométriques en silicium (technologie
SOI). En particulier, les propriétés importantes de cohérence seront étudiées. Sur base des résultats expérimentaux
et de simulations numériques de l’équation de Schrödinger non linéaire généralisée, les possibilités et les
limitations de recompression temporelle de l’onde dispersive seront étudiées.
REFERENCES
[1] Supercontinuum generation in photonic crystal fibers, J. M. Dudley, G. Genty, and S. Coen, Rev. Mod.Phys. 78,
1135 (2006).
[2] Dispersive wave emission and supercontinuum generation in a silicon wire waveguide pumped around the 1550
nm telecommunication wavelength, Fr. Leo et al., Opt. Lett. 39, 3623 (2014).
CONTACT
Simon-Pierre Gorza (sgor[email protected]), Tel. [phone]
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A, OPERA department

Etude des propriétés optiques des nerfs dans le cadre de la neurostimulation photonique
Nature du travail : travail expérimental et numérique
Etudiants concernés : ingénieur civil biomed, physicien, electromec et master en science physique
Collaboration : société Synergia Medical
Mots clés : neurostimulation de nerfs, propriétés optiques du nerf, adding-doubling method
Encadrement et contact : Antoine Nonclercq ([e-mail]) Simon-Pierre Gorza ([e-mail]), Pascal Doguet, et
Marie Dautrebande.
CONTEXTE DU TRAVAIL
Ce mémoire s'inscrit dans le cadre d'un projet de grande ampleur mené par la société Synergia Medical sur l'étude
d'un neurostimulateur photonique.
La neurostimulation a été approuvée pour le traitement de plusieurs maladies telles que la douleur chronique, la
maladie de Parkinson, la dépression majeure résistante au traitement, l'incontinence ou encore l'épilepsie. D'autres
champs d'application sont actuellement au stade de la recherche ou de l'étude clinique pour des indications telles
que l'obésité, la migraine et l'insuffisance cardiaque.
Le premier objectif du projet est d'établir, à l'aide d'expérimentations sur petits animaux, la validité et les avantages
de la stimulation photonique de nerfs par rapport à la stimulation électrique. En théorie, la stimulation photonique
permettra de surmonter les limites de la stimulation électrique, à savoir le manque de précision dans le ciblage du
site à stimuler et donc dans la sélection des fibres à stimuler, l'incompatibilité avec l'imagerie par résonnance
magnétique et l'impossibilité de combiner la détection du signal nerveux et la stimulation sur un même site.
Le second objectif du projet est de déterminer les paramètres du neurostimulateur, à savoir principalement la
longueur d'onde et la puissance lumineuse nécessaire pour la neurostimulation. C'est dans le cadre général de ce
second objectif qu'intervient le mémoire proposé. En effet, très peu d'informations concernant les propriétés
optiques des nerfs existent dans la littérature scientifique. Le mémoire devrait donc contribuer à combler ce manque
d’informations.
OBJECTIF DU MÉMOIRE
L’objectif du mémoire est de déterminer expérimentalement les propriétés optiques du nerf (absorption et diffusion)
dans le visible et le proche infrarouge. Le travail comporte un volet expérimental et un volet numérique afin de
pouvoir extraire des résultats expérimentaux les informations utiles pour la conception d’un neurostimulateur
optique [1-2].
REFERENCES
[1] Determining the Optical Properties of Turbid Media Using the Adding-Doubling Method, S.A. Prahl et al., Sept
1996.
[2] Experimental and analytical comparative study of optical coefficient of fresh and frozen rat tissues, M. Mesradi et
al. J. of Biomedical Optics 18, 117010 (2013)
CONTACT
Simon-Pierre Gorza (sgor[email protected]), Tel. [phone]
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A, OPERA department

Etude numérique et expérimentale d’un oscillateur paramétrique optique à base d’une fibre
périodiquement polée
Informations : Francois Leo, Simon-Pierre Gorza et Marc Haelterman
Étudiants concernés : Ir Physiciens, Physiciens
Type : Numérique et expérimentale
Collaboration : ORC (Southampton)
Mots clés : résonateurs optiques ; dynamique non linéaire ; Conversion de fréquence
MOTIVATION ET DESCRIPTION
Les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) sont des résonateurs non linéaires qui permettent la conversion
d’impulsions de lumières vers des longueurs d’onde plus grandes, essentiellement dans l’infrarouge. Ce sont des
sources aux applications multiples et très utilisées, aussi bien dans l’industrie qu’en recherche [1].
Malgré les développements technologiques de ces dernières années, ces sources restent très onéreuses,
volumineuses et assez délicates à opérer. Le but de ce projet est le développement d’un OPO compact, bon marché
et « clef sur porte » basé sur des fibres optiques particulières, dotées d’une non linéarité quadratique. Ces fibres
sont fabriquées par l’Optoelectronic Research Center (ORC) de l’université de Southampton. La fabrication consiste à
briser la centro-symmétrie de la silice afin d’induire une non-linéarité quadratique [2]. Notre idée est d’assembler
un résonateur tout fibré, similaire à celui décrit dans [3], incluant ces fibres particulières.
OBJECTIF DU MÉMOIRE
Le projet débutera par une étude numérique du dispositif afin de définir la meilleure configuration expérimentale
permettant de minimiser la puissance optique nécessaire à l’observation de la génération paramétrique non
linéaire.
La suite consistera en (i) la construction du montage et (ii) l’investigation numérique de la dynamique non linéaire
au-dessus du seuil d’oscillation (similaire à l’étude décrite dans [4]).
La nature de ce travail est donc multiple et pourra évoluer en fonction des préférences de l’étudiant.
REFERENCES
[1] Google OPO
[2] A. Canagasabey, C. Corbari, A.V. Gladyshev, F. Liegeois, S. Guillemet, Y. Hernandez, M.V. Yashkov, A. Kosolapov,
E.M. Dianov, M. Ibsen and P.G. Kazansky, Opt. Lett. 34, 2483 » (2009)
[3] F. Leo, S. Coen, P. Kockaert, S.-P. Gorza, P. Emplit, and M. Haelterman, Nature Photonics 4, 471 (2010)
[4] F. Leo, T. Hansson, I. Ricciardi, M. DE Rosa, S. Coen, S. Wabnitz, and M. Erkintalo, Phys. Rev. Lett. 116, 33901
(2016).
CONTACT
François Leo ([e-mail]) et Simon-Pierre Gorza ([e-mail]),
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A