MFEs 2021-2022 OPERA-photonique École polytechnique de Bruxelles - ULB
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MFEs 2021-2022
OPERA-photonique
École polytechnique de Bruxelles
Les sujets de Mémoires de fin d’études suivants sont proposés, à titre principal, aux étudiants de 2e
année du master 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 Photonique du Service OPERA.
Service OPERA-photonique Depuis plusieurs décennies, le service OPÉRA-photonique réalise des recherches de pointe en optique. Le cœur de l’activité est l’optique non linéaire, mais elle s’étend aussi vers l’optique quantique, la bio-photonique, l’intelligence artificielle photonique, et même vers des sujets comme la robotique ou les neurosciences. Vous vous êtes déjà familiarisés avec certains de ces thèmes d’optique et photonique via les cours : Optique physique (BA3) et Laser physics (MA1). Vous pourrez compléter votre formation en suivant les cours d’Optique non linéaire et Photonic communication systems en MA2. Dans les paragraphes qui suivent, nous proposons un résumé de ces thèmes. Il faut noter que les sujets proposés indiquent nos grandes lignes de recherche et qu’ils peuvent être adaptés en fonction des intérêts des étudiants et de leur aptitude pour le travail expérimental, numérique, conceptuel. Optique non linéaire En tant qu’étudiant ayant participé aux laboratoires du cours « Laser physics », vous avez effectué de la conversion de fréquences. En effet, nous avions vu qu’il était possible, lorsque les densités d’énergie sont très importantes d’atteindre le régime non linéaire et de générer de nouvelles fréquences. En l’occurrence, nous avions converti l’émission du cristal de Nd:YAG à 1064 nm en lumière verte à 532 nm. Dès que l’on entre en régime non linéaire, de nombreux phénomènes nouveaux apparaissent. Un exemple est la génération de peignes de fréquence optiques au départ d’un laser continu dans un résonateurs optique. Ces peignes sont des sources optiques présentant un très grand nombre de raies spectrales espacées exactement de la même fréquence. Leurs inventeurs ont été récompensés par le prix Nobel de physique en 2005, car l’utilisation des peignes de fréquence a révolutionné la métrologie. Plusieurs sujets de mémoire proposent d’étudier théoriquement et/ou expérimentalement de nouvelles configurations pour la génération de peignes de fréquences ou, plus généralement, de patterns optiques, dans des cavités fibrées ou dans des anneaux intégrés sur puce (SiN-microrésonateurs). La génération de nouvelles fréquences dans une cavité à double passage est également proposé. Un développement particulièrement important aujourd’hui en optique est l’intégration sur puce. Grâce à l’utilisation de techniques lithographiques de pointe il est en effet aujourd’hui possible d’intégrer dans un volume très faible, et a très bas coût, de nombreuses fonctionnalités tout optiques ou opto-électroniques. Le très fort confinement de la lumière dans les guides d’onde sur puce, par exemple en silicium ou en nitrure de silicium) permet l’apparition d’effets non linéaire importants à faible puissance. Dans l'évolution des technologies, les dispositifs électroniques intégrés ont d'abord été couplés à des dispositifs optiques, ensuite les dispositifs opto-électroniques intégrés ont été développés. L'étape suivante est la réalisation de circuits photoniques intégrés, permettant d'appliquer des technologies basées sur l'utilisation de photons au niveau microscopique (traitement de l'information, laboratoire sur puce, etc.). Dans cette quête à l'intégration de fonctionnalités optiques, sur puce, l'identification de matériaux aux propriétés optiques et opto-électroniques intéressantes combinant compacité et compatibilité avec les processus de fabrication développés pour la réalisation de circuits électroniques est importante. Depuis l'attribution en 2010 du prix Nobel aux découvreurs du graphène, ce matériau a fait l'objet de nombreuses études qui démontrent ses qualités pour l'intégration de dispositifs opto- électroniques. L'étude du graphène a également conduit la communauté scientifique à étudier
d'autres matériaux bidimensionnels (hBN, MoS2, WSe2, TMDCs). Récemment, notre groupe de recherche a mesuré les propriétés optiques non linéaires du graphène et montré son intérêt pour la réalisation de fonctions complexes au sein de circuits photoniques intégrés. Nous proposons un mémoire dans ce cadre, visant à étudier les propriétés intrinsèques de matériaux 2D et en particulier celles du graphène. Spectroscopie La spectroscopie est, d’une manière générale, un outil très performant pour identifier la composition chimique d’un gaz, d’un objet ou d’un tissu organique. En principe, des techniques de spectroscopie connues telles que la spectroscopie Raman ou Brillouin devraient également permettre d’obtenir des informations sur la forme et la structure interne de petites particules comme des nanoparticules inorganiques ou des virus. Nous nous proposons d’étudier expérimentalement cette nouvelle possibilité d’identification de particules virales (Raman spectroscopy). Optique Quantique L’optique quantique est le domaine de l’optique qui apparaît lorsqu’on manipule la lumière au niveau des photons uniques. À cette échelle apparaissent des phénomènes nouveaux : dualité onde- corpuscule, intrication ; et des applications nouvelles : cryptographie quantique, ordinateur quantique. L’optique quantique est étroitement liée à l’optique non linéaire, car les sources de photons uniques ou de paires de photons sont basées sur des phénomènes d’optique non linéaire (par exemple de génération de nouvelles longueurs d’onde), mais utilisée dans un régime de très faible intensité. Deux mémoires sont proposés dans cette thématique. Intelligence Artificielle Depuis plusieurs années notre équipe s’intéresse à la réalisation de systèmes d’intelligence artificielle optique. Il s’agit donc de réaliser des réseaux de neurones, mais avec des composants photoniques. Les systèmes construits dans le laboratoire permettent par exemple de réaliser des tâches (simples) de reconnaissance vocale. Nous proposons deux sujets de mémoire dans ce domaine : une étude prospective sur l’utilisation de tels systèmes pour des applications en télécommunication et un travail expérimental qui a pour point de départ la stabilisation d’une cavité optique, et qui pourrait aboutir à un nouveau type de réseau de neurones basés sur l’utilisation de la fréquence comme degré de liberté. Physique des plasmas-fusion thermonucléaire contrôlée. Nous proposons également deux sujets réalisés en collaboration avec le laboratoire de physique plasma de l’Ecole Royale Militaire portant sur la modélisation du chauffage d’un plasma de Tokamak par ondes radiofréquences.
Mitigation of Brillouin effects for cavity solitons in fibre Kerr resonators Nature of work: experimental and numerical Students: master in engineering physics, master in physics Key words: optical resonators; frequency combs; Brillouin effect; nonlinear dynamics; dissipative structures. Context The spontaneous emergence of modulated or localized structures is a common phenomenon in nature, arising in different systems ranging from the skin of animals, such as zebras, to vegetation or galaxies [1]. In optical resonators, such structures can take the form of stable ultra-short pulses, known as cavity solitons, circulating indefinitely in the cavity [2]. They are sustained by a double balance of dispersion and non-linearity on the one hand and gain and loss on the other, and are solutions of a relatively simple nonlinear differential equation (see figure). In the frequency domain, the pulses, periodically leaving the cavity, form a frequency comb. Frequency combs have found numerous applications for instance in ultra-high precision optical metrology of time or in high resolution spectroscopy [3]. Nowadays, they are routinely generated in integrated ring resonators or in optical fibre cavities. Still, frequency combs in passive nonlinear cavities is an intense research field as they have the promise of unlocking mass market applications and of pushing the limits of time and frequency metrology. Regarding the latter research area, it was recently pointed out that the comb stability, ultimately limited by quantum effects, should be better in optical macroscopic fibre cavities than in integrated ring resonators [4], renewing the interest for cavity solitons in optical fibres. However, it is commonly thought that cavity solitons cannot be generated in the simplest passive cavity, namely only a loop of fibre with a coupler, because of the Brillouin effect [2]. Thus more complicated experiments with pulsed driving lasers or more lossy setups with an isolator are required. Yet, this assumption has not yet been experimentally challenged or verified. Zebra’s stripes or some vegetation circles are dissipative structures, so are cavity solitons. These latter can be generated in a simple fibre loop with Kerr nonlinearity and driven at a frequency slightly detune (D) from the resonance. They are solution of the Lugiato-Lefever equation. Out of the cavity, the stable pulse train forms a frequency comb.
Goal The goal of this master thesis is to experimentally study cavity solitons formation in optical fibre cavities under continuous pumping and without an isolator to prevent Brillouin lasing. The outcomes of the thesis should be to clarify when the Brillouin effect is an issue for cavity solitons, and the demonstration of the existence of cavity solitons in the simplest fibre cavity configuration. This is an important step towards the experimental study of the quantum limited stability of frequency combs in fibre cavities. Indeed, to do so, we intend, as a first step, to generate counter-propagating solitons as in [5] to be insensitive to technical perturbations. Methodology The first step will be to study Brillouin lasing in fibre ring resonators and to confront the results with the theory. A ring resonator will then be designed to host cavity solitons without an optical isolator, usually used to prevent the Brillouin lasing when the cavity detuning is scanned by forcing the propagation direction of the light. The cavity will then be built to observe cavity solitons. To this end a clever way to excite the cavity solitons should be found and implemented. References [1] Pattern formation outside of equilibrium, M.C. Cross and P.C. Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993) [2] Temporal cavity solitons in one-dimensional Kerr media as bits in an all-optical buffer, F. Leo, S. Coen, P. Kockaert, S.-P. Gorza, P. Emplit, and M. Haelterman, Nat Photon 4, 471 (2010). [3] 20 years of developments in optical frequency comb technology and applications, T. Fotier and E. Baumann, Communications Physics 2, 153 (2019) https://doi.org/10.1038/s42005-019-0249-y [4] Got the quantum jitters, M. Erkintalo (2021), https://doi.org/10.1038/s41567-020-01118-7 [5] Quantum diffusion of microcavity solitons, C. Bao et al., Nature Physics 17, 462 (2021) https://arxiv.org/pdf/2003.06685.pdf Contact Prof. Simon-Pierre Gorza (simon.pierre.gorza@ulb.be), François Leo (francois.leo@ulb.be) Nicolas Englebert (nenglebe@ulb.ac.be) Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A, Service OPERA
Active cavity solitons in integrated resonators
Nature of work: numerical and theoretical
Students: master in engineering physics, master in physics
Key words: optical resonators; frequency combs; lasers; semiconductor optical amplifiers; nonlinear
dynamics; dissipative structures; bifurcation analysis.
Context
Optical resonators allow for a strong increase of nonlinear interactions thanks to the build-up of an
intra-cavity high-power beam. This can been harnessed for generating ultra-stable trains of ultra-
short optical pulses, either in mode-locked lasers or in passive cavities with an injected signal (see
figure). These stable optical pulse trains, also known as frequency combs, have found numerous
applications in ultra-high precision optical metrology of time, frequencies or velocities to cite a few
[1,2]. Recently, we make use of a carefully designed gain section to lower the effective loss of a fiber
passive cavity. Stable temporal patterns, called cavity solitons, where experimentally demonstrated
[3]. This first demonstration opens new exciting applications as it makes possible the generation of
stable cavity solitons in resonators too lossy to support them without the gain section. Besides, the
generation of fully integrated highly coherent trains of ultra-short pulses remains challenging. With
the Ghent University, we have started a project to make such frequency comb sources a reality
through the integration of our coherently driven active cavity design (see figure). However, a
theoretical analysis of these future devices is still lacking.
a b
Output
c d e
a) Schematic of a fiber cavity with a gain section to partially compensate for the loss. b) Example of
a typical integrated implementation. The cavity is made with SiN and the amplification section
(yellow) with III-V semiconductors. c) Bifurcation diagram showing the domain of existence of cavity
solitons in our fiber active cavity (ACS). d) Pulse measured at the fiber cavity output. e) RF spectrum
showing that a stable pulse train is leaving the fiber cavity.
Goal The goal of this master thesis is to perform a comprehensive analytical and numerical study of the generation of cavity solitons in integrated ring resonators including a gain section and operated under its laser threshold. While the underlying principle is similar to our previous work in fibers [3], the gain dynamics in semiconductor amplifiers is completely different [4]. It is thus expected to deeply modify the existence chart of cavity solitons. Methodology The first step will be to find the appropriate model to describe the nonlinear dynamics of the system. This model will be simplified to derive a mean-field model [3, 5] similar to the model of injection locking semiconductor lasers [4]. A numerical continuation method [6] will then be used to build the bifurcation diagram of the system [3-5] and understand the impact of its key parameters (distance to lasing threshold, detuning of the driving laser, dispersion, linewidth enhancement, etc.). The different dynamical regimes will finally be confirmed by numerical simulation of the (first) more accurate model. References [1] Optical frequency metrology, T. Udem, R. Holzwarth, and T.W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002) [2] 20 years of developments in optical frequency comb technology and applications, T. Fotier and E. Baumann, Communications Physics 2, 153 (2019) https://doi.org/10.1038/s42005-019-0249-y [3] Temporal Solitons in a Coherently Driven Active Resonator, N. Englebert, C. Mas-Arabi, P. Parra- Rivas, S.-P. Gorza and F. Leo, accepted in Nature Photonics. https://arxiv.org/abs/2007.15630 [4] The dynamical complexity of optically injected semiconductor lasers, S. Wieczorek, B. Krauskopf, T.B. Simpson and D. Lenstra, Physics Reports 416, pp 1-128 (2005). [5] Unifying frequency combs in active and passive cavities: Temporal solitons in externally-driven ring lasers, L. Columbo et al. (2020) https://arxiv.org/abs/2007.07533 [6]. AUTO-07p: Software for continuation and bifurcation problems in ordinary differential equations, J. Doedel, A. R. Champneys, T. F. Fairgrieve, Y. A. Kuznetsov, B. Sandstede, and X. Wang, Department of Computer Science, Concordia University, Montreal (2007) http://cmvl.cs.concordia.ca/auto/. Contact Prof. Simon-Pierre Gorza (simon.pierre.gorza@ulb.be), François Leo (francois.leo@ulb.be) Nicolas Englebert (nenglebe@ulb.ac.be) Jesús Yelo-Sarrión (jesus.yelo.sarrion@ulb.be) Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A, Service OPERA
Étude théorique du régime de doublement de période par l’approche de champ moyen. Nature du travail : travail théorique et numérique Étudiants concernés : Master en sciences de l’ingénieur section physique, Master en sciences physiques Mots clés : optique non linéaire, systèmes dynamiques, théorie des bifurcations Contexte En raison de leur grand potentiel d’application, les cavités optiques non linéaires passives font actuellement l’objet de nombreuses études théoriques et expérimentales. Le grand nombre d’applications des cavités optiques non linéaires passives est le reflet de la grande richesse de leurs comportements dynamiques. Parmi ces comportements on trouve la génération spontanée d’impulsions ultra-courtes à très haut taux de répétition, la formation de spectres en « peigne de fréquences » pour la spectroscopie de haute précision (voir figure ci-dessous), la bistabilité à la base d’un nouveau type de mémoires optiques, etc. [1]. Schéma de principe d’une cavité optique non linéaire et représentation de son champ intracavité dans les domaines temporel et spectral [1]. Parmi les comportements remarquables des cavités optiques non linéaires, le régime de doublement de période n’a pas encore fait l’objet d’études approfondies. Ce régime résulte d’une bifurcation de brisure de symétrie temporelle du champ intracavité. Il est caractérisé par l’apparition dans le champ intracavité d’ondes de commutation (switching waves) entre niveaux d’amplitude différents. Les caractéristiques de ces ondes de commutation n’ont jamais été étudiées sur le plan théorique. Pour remédier à cette situation, nous en proposons l’étude à l’aide d’un modèle théorique simplifié de type « champ moyen » auquel les techniques classiques de la théorie des bifurcations peuvent être appliquées [2].
Objectif L’objectif du travail est de réaliser une première étude des ondes de commutation propres au régime de doublement de période à partir des équations de champ moyen. Il s’agira d’investiguer la dynamique de ce régime de façon exhaustive à l’aide des bases de la théorie des bifurcations (approches perturbatives du premier ordre). L’approche théorique devra être confirmée par simulations numériques des équations de champ moyen et du modèle récursif complet de la cavité. Si le temps le permet, l’état de polarisation de la lumière pourra être pris en compte pour étudier l’influence de ce dernier sur la dynamique du régime de doublement de période. Personnes de contact: Nicolas Englebert (nicolas.englebert@ulb.ac.be) Marc Haelterman (marc.haelterman@ulb.be) Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A Références : [1] Temporal cavity solitons in one-dimensional Kerr media as bits in an all-optical buffer F. Leo, S. Coen, P. Kockaert, S.-P. Gorza, Ph. Emplit, and M. Haelterman, Nature Photonics 4, 471- 476 [2] M. Haelterman, Period-doubling bifurcations and modulational instability in the nonlinear ring cavity: an analytical study, Optics Letters 17, 1992.
Study of a new type of feedback for applications in photonics Information : Pascal Kockaert Student background : engineering physics or physics Type of work : theoretical (analytical, numerical, setup design) Keywords : optical cavity, optical fibers, photonic circuits, feedback, frequency generation, pattern formation Motivation Laser exist for more than a half century. All along this time, optical feedback and its dynamics have been extensively studied. The usual optical feedback depends on the optical phase, which imposes to control the size of resonators with a very high accuracy. We have shown that a new Figure 1: Double-pass cavity. The continuous input beam enters the setup in plane kind of feedback is possible. (I) and is transmitted through the input polarizing beam splitter. At first turn, This mechanism is based on polarization is denoted by 1. At the end of this first turn, the polarization state is nonlinear optical orthogonal to the input one and makes a second turn, denoted by 2. During the interactions and it is second pass in the nonlinear medium, the beam transfers its amplitude modulation independent on the optical to the orthogonal polarization through a nonlinear effect called cross-phase phase. A detailed modulation. This phase modulation will be transformed by the dispersive section in understanding of the an amplitude modulation. The modulation induced in the NL material is sustained internal dynamics of optical through this mechanism, and although it changes from phase to amplitude resonators with gain and modulation in the dispersive section, it is resonant in the cavity. feedback was necessary to generate pulses at the output of a laser. We have shown that the phase insensitive feedback mechanism (PIFM) leads to interesting dynamics. In particular, a high- frequency modulated signal can be generated from a continuous beam without (opto)-electronic device. This is an entry point to the the fascinating world of pattern formation. Objectives The main properties of PIFM have been studied in a simple cavity. In particular, we have shown that a very stable modulated signal can be generated. This work should identify new geometries, that could lead to stable trains of pulses with sharp features that could be used, for example, to build an optical clock. Identifying more complex dynamics, such as complex modulation profile, or chaotic behaviour can also be very interesting.
Another objective of this work is to understand how the system reacts when it is submitted to external perturbations. This will allow to identify new dynamics that could be used in photonics, as an all- optical phase-locked loop, to generate optical pulse trains (frequency-combs), to build an optical memory and/or logical gates, and duplicate data on different frequency channels. Nature of the work As a first theoretical step numerical simulations (julia/python/matlab) will be performed on different combinations of optical cavities. Once numerical results are obtained, interesting dynamics will be studied analytically. The design of a setup targetting one particular application can also be part of the objectives. References • [Kockaert 2006] P. Kockaert et al., Opt. Lett. 31 (2006) 495. • [Kozyreff 2006] G. Kozyreff, Phys. Rev. A 73 (2006), 063815. Contact Pascal Kockaert (Pascal.Kockaert@ulb.ac.be), Tél. 02-650.48.55 [S. C3.122A]
Modelling and characterization of waveguides coated with graphene or other 2D materials Information : Pascal Kockaert Student background : engineering physics or physics Type of work : theoretical (analytical and numerical), experimental (optional) Keywords : integrated photonic circuits, graphene, 2D materials, numerical modelling MOTIVATION 2D materials, such as graphene, MoS2, BN, are extensively studied for their fascinating intrinsic properties, but also to modify (optical) waveguide properties. Different kinds of 2D materials can be stacked on top of a thicker waveguide, with almost no modification of its total thickness. Numerical tools used to simulate those structures are usually introducing an effective permittivity, which is not well defined for 2D material with a thickness lower than 1nm. Although this question is still controversial, most people agree that a better modelling should be based on surface currents. OBJECTIVES By means of a perturbative approach, it is possible to extract effective parameters describing the waveguide with a 2D material on top, from the exact modelling involving surface currents. This approach has been implemented in the frame of a first master thesis on this topic. This allows to overcome a limitation of existing simulation tools that are based on meshes. Indeed, limiting the number of points in the mesh requires to model the 2D material as a thicker layer, which ensures that it contains more points from the mesh but also introduces a strong approximation through the use of an effective permittivity. In this first approach, it was possible to include the (non isotropic) tensor nature of graphene (or 2D material), as well as dispersion (non instantaneity) and the exact mode profile including longitudinal components. The next step is to implement a nonlinear response, keeping the anisotropic and dispersive features. The software will be preferably developed in the efficient and user-friendly language julia (https://julialang.org/), with possible parts written in python. Based on the existing code, that makes use of open source mode solvers, the student will develop a software allowing to model photonic integrated structures, with increasing complexity. NATURE OF THE WORK As a first theoretical step, a simple waveguiding structure with a nonlinear 2D material on top will be modeled with the help of the perturbative approach. Simulation results will be compared to experimental results taken from the litterature. In a second time, it will be possible to either (i) take measurements on waveguides with graphene on top, available in our laboratory ; (ii) study the use of the previous method to more complex structures such as a nonlinear coupler or multiple layer structures ; (iii) optionally, compare numerical results to experimental ones obtained in step (ii).
REFERENCES • Opt. Lett. 41, 3281-3284 (2016) [https://arxiv.org/pdf/1607.00911] • Phys. Rev. B 96, 235422 (2017) [https://arxiv.org/pdf/1707.09507] • Adv. Mat. 29, 1606128 (2017) [https://doi.org/10.1002/adma.201606128] CONTACT Pascal Kockaert (Pascal.Kockaert@ulb.ac.be), Tél. 02-650.48.55 [S. C3.122A]
A poor’s man Raman spectrometer
Nature du travail : travail expérimental
Étudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Mots clés: détection de photons uniques, spectroscopie
Context
Spectroscopy allows to identify chemical
compounds (drugs, biological samples), quantify
composition, gather information about the
crystallinity of solids, etc [1]. Direct absorption
spectroscopy is extremely powerful but requires the
use of high-end instrumentation. An alternative
technique is Raman spectroscopy that rely on the
inelastic scattering of light rather its absorption. The
advantages brought by that technique are a greater
Illustration of the inelastic
spatial resolution, a better compatibility with
scattering of light known as
biological samples and a simpler instrumentation.
Raman scattering
Raman spectroscopy has therefore found
applications in many labs. A limitation preventing an
even wider use outside of the lab is the cost of a
deep cooled camera required in a Raman
spectroscope.
Goal
This project consists in using a temporal and quantum detection [2] rather than a spectral one. This
change in architecture promises to make the best use of the detector and reduce simultaneously
noise and cost by orders of magnitude. The project is experimental including lab work and extensive
data analysis. The work aims at showing more precisely how strong the improvement over traditional
Raman spectroscopy can be. Prior knowledge in optics is preferred but not required. 1
Contact
Dr. Stéphane Clemmen (sclemmen@ulb.ac.be),
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA-photonique et Laboratoire
d’information quantique
REFERENCES
[1] Kneipp, K., Kneipp, H., Itzkan, I., Dasari, R. R., & Feld, M. S. (1999). Ultrasensitive chemical
analysis by Raman spectroscopy. Chemical reviews, 99(10), 2957-2976.
[2] Yuan, Z. L., Kardynal, B. E., Sharpe, A. W., & Shields, A. J. (2007). High speed single photon
detection in the near infrared. Applied Physics Letters, 91(4), 041114.
1
This project is conditional upon availability of the required pulsed source at 1300nm. Please contact the supervisor
before any validation of the master thesis topic.An instantly tunable pulsed-laser source Nature du travail : travail de conception et expérimental Étudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique Context Lasers sources are extremely diverse. Lasers can deliver radiation ranging from nW to TW power, CW to fs duration, UV to far-IR wavelengths, at costs ranging from c€ to B€. Optical parametric oscillators distinguish themselves by their typically high wavelength tuning range, modelocked lasers provide ultra short pulses and laser diodes are typically cheap. OPO are typically slow at changing the wavelength of the radiation they emit but laser diodes can do so at the sub-ns timescale [1]. This feature (changing the wavelength quickly) is becoming highly desirable for applications ranging from optical packet switching in data communication to all-optical Illustration of a polychromatic control in quantum optics. light pulse Goal The goal of this project is to build a fastly (sub 100 ps) tunable source using a modelocked fiber laser and time to frequency mapping (similar to [2]) and to characterize it extensively. This laser is eventually intended to be used in a quantum optics so that extra care will be given in order to have the output power of the laser fixed (within 1%) for any chosen wavelength of operation. This power balancing will be implemented using a spatial light modulator (SLM) acting in tandem with a diffraction grating to form an equalization filter (spectrally tunable attenuator). The work can possibly be split in two projects.2 Contact Dr. Stéphane Clemmen (sclemmen@ulb.ac.be), Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA-photonique et Laboratoire d’information quantique References [1] S. Dhoore, G. Roelkens, G. Morthier, Fast wavelength-tunable lasers on silicon, IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics (invited), 25(6), p.1500908 [2] Strickland, D., & Mourou, G. (1985). Compression of amplified chirped optical pulses. Optics communications, 56(3), 219-221. 2 This project is conditional upon availability of the required dispersion compensation module and the SLM. Please contact the supervisor before any validation of the master thesis topic.
Intelligence artificielle et photonique Nature du travail : Expérimental et simulations numériques Etudiants concernés : Ir physiciens, Ir électriciens, Physiciens Collaboration : Faculté des Sciences Mots clés : intelligence artificielle, photonique, reservoir computing. Motivation Depuis plusieurs années le service OPERA-Photonique de l’EPB et le Laboratoire d’Information Quantique de la faculté des sciences collaborent au développement d’un ordinateur analogique et photonique de très haute performance inspiré du fonctionnement du cerveau. La photonique permet, en effet, d’adopter une architecture parallèle qui, combinée à l’utilisation de matériaux optiques non linéaires à réponse rapide et intégrés sur puce, conduit à une vitesse d’exécution et une consommation énergétique sans commune mesure avec celles des ordinateurs électroniques. La conception d’un tel ordinateur fait appel à des notions d’intelligence artificielle et, en particulier, au concept de «réseau de neurones artificiels» abordé sous l’angle du «reservoir computing» (Fig a), un paradigme particulièrement bien adapté à l’implémentation physique des réseaux de neurones. Des démonstrations de principe de «reservoirs computers photoniques» ont déjà été réalisées avec succès au sein de notre groupe de recherche. L’une des architectures à l’étude est basée sur le multiplexage en longueur d’onde, c’est- à-dire que les différents « neurones » du système sont codés par l’amplitude de la lumière à différentes longueurs d’ondes (Ref. 1 et Fig b). Une autre approche utilise un système optoélectronique en lumière incohérente. Objectifs du memoire Le but du travail est de contribuer au développement de l’intelligence artificielle basée sur la photonique. De nombreux axes sont possibles, dépendant de l’avancement de nos recherches. Par exemple améliorer l’expérience basée sur le multiplexage en longueur d’onde. Faire le développement préliminaire pour cette architecture d’une couche de sortie en optique intégrée. Réaliser des traitements avancés de l’information avec les système optoélectronique en lumière incohérente. Etudier l’implémentation optique de nouveaux algorithmes, telles les Ising machines inspirés de la physique statistique. Les systèmes sont validés grace à leur performances sur des tâches d’intelligence artificielle telle la reconnaissance de vidéos, la reconnaissance vocale.
Nature du travail En principe il s’agit d’un travail de nature expérimentale avec un aspect numérique important (simulation du dispositif, programmation des appareils de mesure). Mais des mémoires entièrement théoriques et numériques sont également possibles. References [1] A. AKROUT et al. Parallel photonic reservoir computing using frequency multiplexing of neurons. arXiv preprint arXiv:1612.08606, 2016. Contact Prof. Marc HAELTERMAN (mhaelter@ulb.ac.be), tél. 02 650 2821 Prof. Serge MASSAR (smassar@ulb.ac.be), tél. 02 650 5446 Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
Study of radio frequency induced plasma density modification close to launchers Kind of thesis : Theoretical (analytical and numerical) Study programme : Master en ingénieur civil physicien Collaboration : Laboratoire de Physique des Plasmas, Belgian EUROfusion Consortium Member, Trilateral Euregio Cluster, 30 Avenue de la Renaissance, B-1000 Brussels, Belgium Keywords : Nuclear fusion, tokamak, plasmas, ion cyclotron resonance heating Motivation Nuclear fusion research aims at exploiting the fusing of light atoms to “produce” energy. The ultimate goal is to provide a base load energy source sufficient to cover our modern society’s energy needs in an ecologically acceptable way without releasing greenhouse gases in the atmosphere. The easiest reaction with sufficiently large cross section is the fusing of 2 Hydrogen isotopes, Deuterium and Tritium, forming an alpha particle and a neutron. In contrast to fission reactions, the nuclear fusion process has the advantage that it does not produce radioactive elements. Unfortunately, neutrons born in the nuclear reactions activate the vessel, but a careful choice of vessel materials allows to drastically bring down the duration of intensive activation and will allow each generation to take care of the nuclear waste it produces. Nuclear fusion requires temperatures of hundreds of millions of degrees. For the moment, the most promising road to fusion lies in confining charged particles using magnetic force in so called “tokamaks”. Electromagnetic waves are successfully exploited to ensure sufficient heating. The present subject for Master Thesis work contributes to the understanding of the interaction between charged particles and electromagnetic fields. Objectives of the master thesis Although the dominant energy exchange between charged particles and electromagnetic waves takes place in the high temperature and high density plasma core of a tokamak, a fraction of the power is inescapably lost close to the launchers. This gives rise to unwanted acceleration of particles which bombard the vessel wall, causing sputtering and hot spot formation. Since materials able to withstand erosion on a sufficiently long time scale have a large charge number Z, and since the radiation scales with the square of Z, the sputtered particles radiate away a significant amount of energy meant to heat the plasma. This causes fusion relevant temperatures to go out of reach or - worse - can lead to radiative collapse of the plasma. Hence the study of the interaction between waves and particles close to the launcher is an important topic of research. In a first step, the detailed kinetic description of the plasma is omitted and a simple “cold plasma” fluid model, sufficiently accurate, is used to describe the low temperature edge. Computing the electric fields requires solving the relevant wave equation, accounting for the dielectric response of the field to the presence of the plasma. Finite drift velocities, resulting from the confining magnetic field and from the ponderomotive
force, modify the density and yield a charge imbalance, which gives rise to a static electric field adding extra drifts. The result is the modification of the density profile by the presence of the radio frequency electric field, and the modification of the wave field patterns brought about the changing density. This set of equations was solved in the past in 1D while the relevant problem is 2-dimensional at least. This thesis contributes to developing such a model. References [1] [D. Van Eester and K. Crombé, Phys. Plasmas 22 (2015) 122505] Contact Prof. Yves Louis (yves.louis@ulb.be), Tel. 02 650 28 22 Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 4, local C4.320 , Service OPERA
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