the master thesis proposals for the OPERA - Photonique dpt

MFEs 2017-2018
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
T [phone]
F [phone]
mail [e-mail]

Conversion non linéaire ultra efficace dans des nanoguides semiconducteurs
Nature du travail : travail expérimental et numérique.
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Collaboration : Université de Gand
Mots clés : Optique non linéaire ; photonique intégrée ; conversion de fréquence
MOTIVATION
Réalisés pour la première fois en 1961 par Maiman
avec un cristal de Rubis, les lasers sont
aujourd’hui fabriqués à l’aide de fibres optiques et
de semi-conducteurs. Ils sont miniaturisés,
puissants et ont révolutionné de nombreux
domaines de la science et de l’industrie [1]. Il
n’est cependant pas encore possible de fabriquer
des lasers émettant à toutes les longueurs d’onde.
Une alternative au laser conventionnel consiste à
convertir efficacement la fréquence d’un laser de
pompe dans un milieu non linéaire. Il existe
différent processus de conversion, le plus efficace
étant la génération de second harmonique [2],
comme c’est le cas pour les pointeurs lasers verts.
Nous avons développé au travers d’une collaboration avec l’université de Gand, une nouvelle plateforme intégrée dans le but de
faciliter la conversion non linéaire [3]. L’avantage des nano guides est que leur taille très petite permet un confinement très important
de la lumière et donc une efficacité de conversion pour de plus faibles intensités de pompe.
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Nous proposons d’utiliser ces guides comme source ultra efficace de lumière à 750 nm. Le travail proposé est
principalement de nature expérimentale. La fabrication des guides est assurée par un doctorant du laboratoire
OPERA-photonique. Il s’agira d’injecter la lumière dans les guides et d’analyser la sortie. Il sera néanmoins
crucial de comparer les résultats obtenus à des simulations numériques du modèle décrivant l’interaction non
linéaire dans le guide [2]. Cela permettra d’extraire les paramètres linéaires et non linéaires de cette nouvelle
plateforme.
REFERENCES
[1] Google laser
[2] Nonlinear optics. Robert Boyd. Taylor & Francis (2003)
[3] Nonlinear properties of dispersion engineered InGaP photonic wire waveguides in the telecommunication
wavelength range. U.D. Dave, B. Kuyken, F. Leo, S.-P. Gorza, S. Combrie, A. De Rossi, F. Raineri, and G. Roelkens,
Opt. Express 23, 4650 (2015).
CONTACT
Prof. Simon-Pierre Gorza ([e-mail]), Tel. [phone]
François Leo (francle[email protected]), Tel. [phone]
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA

Etude expérimentale de structures dissipatives dans une cavité fibrée
Nature du travail : travail expérimental et numérique.
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Collaboration : Université de Gand, IMEC
Mots clés : résonateurs optiques ; dynamique non linéaire ; conversion de fréquences
MOTIVATION
Depuis leur découverte, les systèmes dissipatifs non linéaires, de
par leur caractère universel, sont beaucoup étudiés par les
chercheurs [1]. Les travaux pionniers du prix Nobel de l’ULB Ilya
Prigogine dans ce domaine ont mis en évidence l’apparition
spontanée de solutions modulées stables dans un réacteur
chimique, baptisées « structures dissipatives » (voir [2] et figure ci-
contre). En optique, ces structures se manifestent par exemple par
une modulation spontanée de l’intensité de la lumière dans un
résonateur. Il en résulte la génération d’un train d’impulsions
optiques ultra courtes. Certaines structures dissipatives optiques
ont été mises en évidence pour la première fois au service OPERA-photonique [3,4]. Néanmoins, d’autres
solutions non linéaires, pourtant prédites il y a plus de 20 ans [5], éludent encore l’expérience.
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Le but de ce travail est la première mise en évidence de solutions non linéaires modulées dans un résonateur
optique excité en anti-résonance. Le projet sera principalement centré sur la conception et la mise en œuvre
expérimentale d’une cavité fibrée. Le « challenge » principal consiste en l’implémentation d’un système de
stabilisation active de la longueur de fibre. En parallèle, une étude numérique des solutions recherchées
permettra d’identifier les paramètres expérimentaux optimaux permettant leur mise en évidence.
REFERENCES
[1] Pattern formation outside of equilibrium, M.C. Cross and P.C. Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993).
[2] Self-organization in nonequilibrium systems. Grégoire Nicolis and Ilya Prigogine. Wiley, New York, 1977.
[3] Continuous-wave ultrahigh-repetition-rate pulse-train generation through modulational instability in a
passive fiber cavity , S. Coen and M. Haelterman, Opt. Lett. 26, 39 (2001).
[4] Continuous-wave ultrahigh-repetition-rate pulse-train generation through modulational instability in a
passive fiber cavity, F. Leo, S. Coen, P. Kockaert, S.-P. Gorza, P. Emplit, and M. Haelterman, Nat. Phot. 4, 471
(2010)
[5] Ikeda instability and transverse effects in nonlinear ring resonators, M. Haelterman, Optics Communications
100, 389 (1993).
CONTACT
Prof. Simon-Pierre Gorza ([e-mail]), Tel. [phone]
Prof. Marc HAELTERMAN ([e-mail]), Tél. [phone]
François Leo (francle[email protected]), Tel. [phone]
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA

Génération d’ondes dispersives cohérentes 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 s’élargir
dramatiquement. Les sources de supercontinuum 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 dispersives est
donc un moyen potentiellement intéressant pour générer de la lumière
cohérente à des longueurs d’onde plus difficilement atteignables par
d’autres techniques.
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).
Les propriétés importantes de cohérence seront caractérisées.
Sur base des résultats expérimentaux et de simulations
numériques de l’équation de Schrödinger non linéaire
généralisée, les possibilités de générer des impulsions courtes à la longueur d’onde 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
Prof. Simon-Pierre Gorza ([e-mail]), Tel. [phone]
François Leo (francle[email protected]), Tel. [phone]
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA

Ondes scélérates optiques dans les plateformes non linéaires intégrées
Nature du travail : travail numérique et potentiellement expérimental
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.
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 [1] dans les plateformes non linéaires intégrées les plus utilisées (a-Si,
c-Si, SiN, GaN, InGaAsP, …). En particulier, les résultats expérimentaux obtenus dans le laboratoire OPERA-
photonique seront analysés [2] et de nouvelles expériences pourraient être envisagées. Le travail sera réalisé en
collaboration avec le laboratoire PhLAM de l’Université de Lille qui a développé des techniques spécifiques pour
étudier la formation des ondes scélérates [3,4].
REFERENCES
[1] Supercontinuum generation in photonic crystal fibers, J. M. Dudley, G. Genty, and S. Coen, Rev. Mod.Phys.
78, 1135 (2006).
[2] Supercontinuum generation in hydrogenated amorphous silicon waveguides at telecommunication
wavelengths, J. Safioui, F. Leo, S.P. Gorza et al., Opt. Express 22, 3089 (2014).
[3] Observation of extreme temporal events in CW-pumped supercontinuum , A. Mussot et al., Opt. Express 17
(19), 17010 (2009).
[4] Third-order dispersion for generating optical rogue solitons, M. Taki et al., Phys. Lett. A 374, 691-695 (2010).
CONTACT
Prof. Simon-Pierre Gorza ([e-mail]), Tel. [phone]
François Leo (francle[email protected]), Tel. [phone]
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA