MFEs 2011 – 2012 OPERA – Faculté des Sciences Appliquées
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Description

licence, Supérieur, Licence (bac+3)
  • mémoire - matière potentielle : fin d' études
  • cours - matière potentielle : du temps
  • mémoire - matière potentielle : tout - optique
  • cours - matière potentielle : son travail
  • mémoire - matière potentielle : fin d' études suivants
  • mémoire - matière potentielle : optique
  • mémoire
MFEs 2011 – 2012 OPERA – Faculté des Sciences Appliquées Les sujets de Mémoires de fin d'études suivants sont proposés, à titre principal, aux étudiants de 3e année du grade d'Ingénieur civil physicien, d'Ingénieur civil électricien (spécialisation télécommunications) ou aux étudiants de 2e licence 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.
  • expérimental mots-clés
  • intelligence artificielle au service des télécommunications
  • gaz froid
  • propagation d'impulsions courtes
  • einstein de particules en interaction et des gaz de particules indépendantes
  • optique quantique
  • impulsion
  • impulsions
  • horloge optique
  • interaction
  • interactions
  • photon
  • photons

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Langue Français

Exrait

MFEs 2011 – 2012

OPERA –
Faculté des Sciences Appliquées

Les sujets de Mémoires de fin d’études suivants sont proposés,
à titre principal, aux étudiants de 3e année du grade d’Ingénieur
civil physicien, d’Ingénieur civil électricien (spécialisation
télécommunications) ou aux étudiants de 2e licence 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. SOURCES DE PHOTONS UNIQUES ACCORDABLES EN LONGUEUR D'ONDE.
Informations : Edouard Brainis, Philippe Emplit
Étudiants concernés : Ir physiciens et physiciens
Type : Expérimental
Mots-clés : optique quantique, nano-matériaux, photons uniques
Collaboration : Université de Gand
MOTIVATION
Depuis 2009, nous travaillons sur l'utilisation de points quantiques semi-conducteurs comme
sources de photons uniques à la demande [1]. Les points quantiques sont des nanocristaux
de quelques nanomètres qui se comportent comme des atomes artificiels. Cette recherche
est menée en collaboration avec le groupe « Physics and Chemistry of Nanostructures » de
l'Université de Gand.
Les sources de lumière émettant des photons uniques sont des ressources importantes pour
le domaine émergeant de l'informatique quantique et de la communication quantique. Elles
sont également utilisées pour tester les fondements de l'optique quantique (interférences de
photons uniques, imagerie quantique ...).
Depuis le début du projet, nous avons (i) construit un dispositif expérimental permettant
d'exciter de manière ciblée un nombre quelconque de points quantiques uniques et de
récolter les photons qu'ils émettent [2], (ii) développé des techniques pour synthétiser des
points quantiques de haute pureté structurelle et stabilité chimique et (iii) observé l'émission
de photons uniques à température ambiante dans notre dispositif [3]. Nous voulons
maintenant démontrer que nous pouvons contrôler la longueur d'onde démission des
photons uniques émis et réaliser la première source de photons uniques accordable en
longueur d'onde.
NATURE DU TRAVAIL
L'étudiant(e) qui choisira ce mémoire travaillera dans un environnement pluridisciplinaire où
il/elle sera initié(e) aux aspects théoriques et expérimentaux de l'optique quantique ainsi qu’à
la physique des nanocristaux. Au cours de son travail, il/elle sera chargé(e) de caractériser
l'émission de différents types de points quantiques au moyen d'un système de microscopie
spécialement construit au laboratoire d'OPERA-Photonique. Cette caractérisation consistera
à :
1. démontrer que les différentes particules synthétisées émettent des photons uniques,
2. mesurer leur temps de vie de fluorescence,
3. mesurer le spectre des photons uniques émis
On utilisera ensuite les points quantiques étudiés pour réaliser une source de photons
uniques accordable en longueur d'onde.

REFERENCES
[1] X. Brokmann, G. Messin, P. Desbiolles, E. Giacobino, M. Dahan, and J.P. Hermier, ''Colloidal
CdSe/ZnS quantum dots as single-photon sources'', New J. Phys., 2004, 6, 99.
[2] E. Brainis, V. Henry, A. Licari, V. Staicu, Z. Hens, and P. Emplit, ''Simultaneous excitation of N
single colloidal quantum dots'', in Proceedings of the 14th Annual Symposium of the IEEE Photonics
Benelux Chapter, 2009, 189-192.
[3] E. Brainis, K. Lambert, K. Cielen, A. Licari, P. Emplit, and Z. Hens, ''Towards parallel control of
multiple single-photon emitters'', in Proceedings of CLEO / EQEC Europe, 2011, EA7.4. PERSONNES DE CONTACT:
Edouard Brainis (ebrainis@ulb.ac.be), Tél. 02 650 28 30,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122
Prof. Philippe Emplit (phemplit@ulb.ac.be), Tél. 02 650 28 02,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122
TRANSPORT OPTIMAL QUANTIQUE D'UN GAZ FROID
Informations : Edouard Brainis, Jean-Marc Sparenberg
Étudiants concernés : Ir physiciens et physiciens
Type : Théorique
Mots-clés : mécanique quantique, gaz froids, condensats de Bose-Einstein
Collaboration : intra-ULB

MOTIVATION
Nous désirons étudier le comportement d'un gaz d'atomes froids piégé dans un puit de
potentiel lorsque le potentiel confinant est progressivement modifié pour mettre le gaz en
mouvement et le transporter d'une position spatiale à une autre. En particulier, pour un
déplacement donné, nous désirons déterminer la manière dont on doit modifier le potentiel
au cours du temps pour obtenir un transport optimal. Les gaz que nous envisageons
d'étudier seront des condensats de Bose-Einstein de particules en interaction et des gaz de
particules indépendantes. Nous désirons également comparer ce transport à celui d'un gaz
de particules classiques dans les mêmes conditions.
NATURE DU TRAVAIL
Le travail consistera à étudier l'évolution de la fonction densité d'un gaz de particules
quantiques dans l'espace des phases lorsque celui-ci est soumis à un potentiel dépendant
du temps qui induit le déplacement de son centre de masse. L'étudiant mettra en œuvre des
méthodes de contrôle quantique pour déterminer le potentiel qui donnera lieu à un
« transport optimal ». Pour mener son travail à bien, l'étudiant devra apprendre à résoudre
des équations de Schrödinger et de Gross–Pitaevskii dépendant du temps et s'initier à la
théorie du contrôle quantique optimal.
PERSONNES DE CONTACT:
Edouard Brainis (ebrainis@ulb.ac.be), Tél. 02 650 28 30,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122
Prof. Jean-Marc Sparenberg (jmspar@ulb.ac.be), Tél. 02 650 55 57,
Campus de la Plaine, Bât. NO, niv. 6, local 2N6.115 ÉTUDE DE LA GENERATION DE SOMME DE FREQUENCE DANS UN LONG
CRISTAL NON LINEAIRE ET APPLICATION A LA CARACTERISATION
COMPLETE D’IMPULSIONS ULTRA COURTES
Informations : Simon-Pierre Gorza
Étudiants concernés : Ir physiciens et physiciens
Type : Théorique et expérimental
Mots-clés : caractérisation impulsions courtes

MOTIVATION
Les impulsions optiques ultracourtes constituent aujourd’hui un outil de plus en plus
précieux dans divers domaines tels que la physique, la chimie, la biologie ou la médecine.
Tantôt, c’est l’extrême brièveté des impulsions qui est recherchée, tantôt, c’est l’intensité très
élevée des champs électriques produits au sein des impulsions qui les rendent utiles. Dans
les deux cas, il est important de pouvoir caractériser complètement ces impulsions, soit dans
le but de les optimiser pour maximiser les interactions non linéaires de ces impulsions avec
la matière ou pour les rendre les plus brèves possibles, soit parce que cette caractérisation
permet d’extraire des informations sur tout système pouvant être étudié au départ de ses
interactions avec la lumière. L’existence de sources lasers robustes et clé en main délivrant
des impulsions de quelques femtosecondes à quelques centaines de femtosecondes justifie
le développement d’outils de caractérisation de ces impulsions toujours plus fiables et plus
faciles d’utilisation. Dans ce contexte, une nouvelle méthode de caractérisation d’impulsions
courtes a été mise au point à l’Université d’Oxford. Cette technique utilise la génération de
somme de fréquence dans un long cristal non linéaire pour simplifier fortement le dispositif
de caractérisation [1-2]. Ce dispositif peut encore être fortement simplifié par la mise en
cascade de deux cristaux non linéaires. Toutefois, lors des premières expériences, nous
avons constaté que malgré la simplicité du dispositif expérimental, celui-ci était difficile à
utiliser pour la caractérisation d’impulsions courtes et, à ce jour, nous ne savons toujours pas
où se situe le problème.
NATURE DU TRAVAIL
Le but du travail proposé est de réaliser expérimentalement une caractérisation
spatio-temporelle la plus précise possible des impulsions courtes générées par sommes de
fréquences (SFG) dans un long cristal non linéaire. En particulier, l’étudiant s’intéressera à
l’influence sur la SFG de la variation de phase initiale de l’impulsion, de la dispersion dans le
cristal non linéaire et des effets spatiaux tels que la biréfringence et la diffraction. Ces
résultats seront comparés aux modèles théoriques et analytiques de la SFG en vue de
déterminer la cause de l’échec des premières tentatives expérimentales de caractérisation
avec le dispositif à deux cristaux. Ensuite, le dispositif mettant en cascade deux cristaux non
linéaires sera réalisé et optimisé pour la caractérisation complète d’impulsions courtes. La
nature de ce travail est donc essentiellement expérimentale mais nécessite de maîtriser les
concepts théoriques liés à la propagation d’impulsions courtes dans des cristaux non
linéaires biréfringents ainsi que ceux relatifs à la caractérisation d’impulsions courtes par
interférométrie spectrale. Suivant l’avancement du travail il sera également demandé à
l’étudiant d’interfacer la prise de mesure afin de pouvoir réaliser des caractérisations en
temps réel. Une interaction avec l’université d’Oxford peut être envisagée.

REFERENCES
[1] S.-P. Gorza, A. S. Radunsky, P. Wasylczyk, and I. A. Walmsley, Tailoring the phase-matching
function for ultrashort pulse characterization by spectral shearing interferometry, Journal of the Optical Society of America B 24, 2064 (2007).

[2] M. E. Anderson, A. Monmayrant, S.-P. Gorza, P. Wasylczyk, and I. A. Walmsley, SPIDER: A decade
of measuring ultrashort pulses, Laser Physics Letters 5, 259 (2008).
PERSONNES DE CONTACT:
Simon-Pierre Gorza (sgorza@ulb.ac.be), Tél. 02 650 28 01,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A MEMOIRE TOUT-OPTIQUE BASEE SUR DES STRUCTURES RESONANTES EN
OPTIQUE INTEGREE

Informations : Simon-Pierre Gorza, Serge Massar
Étudiants concernés : Ir physiciens et physiciens
Type : Théorique et expérimental
Mots-clés : mémoire tout-optique, optique intégrée, optique non-linéaire
Collaboration : Université de Gand


MOTIVATION
Un défit actuel qui pourrait avoir d'importantes répercussions au niveau des
télécommunications optiques serait d'arriver à stocker de l'information sous forme optique
sans passer par l'électronique. Dans un travail important publié en 2010, notre équipe a
réalisé une première démonstration de principe d'une telle mémoire optique [1]. Cette
démonstration était basée sur une longue boucle de fibre optique (300m), ce qui en fait un
dispositif peu propice aux applications pratiques.

NATURE DU TRAVAIL
Le but du présent travail est d'étudier comment une telle mémoire optique pourrait être
réalisée en optique intégrée. En effet il est depuis peu possible de réaliser à bas coûts, et
avec un encombrement faible, des circuits optiques sur puces en silicium. Une étude
préliminaire indique que les résultats qui ont été obtenus avec des fibres optiques devraient
pouvoir être transposés aux structures en optique intégrées.

Le travail proposé aura une composante importante d'étude analytique et de simulations
numériques des structures résonantes non linéaires intégrées. En effet dans un premier
temps il faudra comprendre en détail la propagation de la lumière dans les structures
résonantes non-linéaires qui sont à la pointe de ce qui se fait en optique non linéaire intégré
[2,3]. Ceci permettra de prédire le comportement de la mémoire optique et d'en optimiser le
fonctionnement. Dans un second temps on pourra envisager les premières étapes d'une
démonstration expérimentale.

REFERENCES
[1] F. Leo, S. Coen, P. Kockaert, S.-P. Gorza, Ph. Emplit, and M. Haelterman, Temporal cavity
solitons in one-dimensional Kerr media as bits in an all-optical buffer. Nature Photonics, 2010, 4, 7,
471–476.
[2] Q. Lin, Oskar J. Painter, and Govind P. Agrawal, Nonlinear optical phenomena in silicon
waveguides: Modeling and applications,Optics Express, 2007, 15, 16604.
[3] Bart Kuyken et al., On-chip parametric amplification with 26:5 dB gain at telecommunication
wavelengths using CMOS-compatible hydrogenated amorphous silicon waveguides, Optics Letters,
2011, 36, 552.

PERSONNES DE CONTACT:
Prof. Serge Massar (smassar@ulb.ac.be), Tél. 02 650 54 46,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
Simon-Pierre Gorza (sgorza@ulb.ac.be), Tél. 02 650 28 01,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
MANIPULATION DE PAIRES DE PHOTONS ENCHEVETRES EN FREQUENCE

Informations : Serge Massar, Laurent Olislager, Erik Woodhead
Étudiants concernés : Ir physiciens et physiciens
Type : Expérimental et/ou théorique
Mots-clés : optique quantique, enchevêtrement quantique
Collaboration existante : Université de Franche-Comté (Besançon, France)

MOTIVATION
Pour réaliser la plupart des protocoles d’information quantique, il est nécessaire de produire,
manipuler et détecter efficacement de l’enchevêtrement quantique. Dans ce contexte, nous
avons élaboré une expérience d’optique quantique dans laquelle :
- à l’aide d’un laser et d’un cristal non linéaire, nous produisons des paires de photons
enchevêtrés en fréquence au sein de fibres optiques de télécommunications ;
- à l’aide de composants électroniques appelés modulateurs de phase, nous manipulons
la fréquence de ces photons ;
- à l’aide de filtres fréquentiels et de détecteurs de photons, nous mesurons l’évolution du
taux de coïncidences en fonction des paramètres de modulation.
En nous basant sur la notion d’inégalité de Bell, nous avons montré que les corrélations
exhibées par les photons ne pourraient être reproduites par un modèle classique et local :
l’interférence à deux photons détectée est purement quantique et constitue une preuve
expérimentale que les photons sont enchevêtrés.

REFERENCES : http://pra.aps.org/abstract/PRA/v82/i1/e013804

NATURE DU TRAVAIL
Après s’être familiarisé avec les domaines de l'optique quantique et de l'information
quantique, l’étudiant se penchera sur des variantes expérimentales et/ou théoriques des
schémas déjà réalisés. Voici quelques choix possibles :
- Etude expérimentale de l’enchevêtrement en fréquence de paires de photons créés
par un processus non linéaire dans une puce en silicium.
- Etude numérique et expérimentale de l’évolution du taux de coïncidences en fonction
de divers paramètres expérimentaux, tels que la distance séparant les photons, la
forme des filtres fréquentiels utilisés…
- Etude théorique sur la possibilité d’utiliser des inégalités de Bell potentiellement
mieux adaptées – que l’inégalité « CH74 » utilisée jusqu’à présent – pour caractériser
l’état enchevêtré produit dans le laboratoire. Par exemple, l’adaptation de
« dimension witnesses » à notre schéma permettrait de placer des bornes sur la
dimension quantique de l'état.
- Etude théorique d’une expérience de téléportation quantique que nous planifions.
Nous avons montré théoriquement que le schéma considéré devrait violer une
inégalité CH74, mais il reste à explorer d'autres possibilités. En particulier, l’utilisation
de deux sources de photons enchevêtrés suggère l'application d'inégalités basées
sur des modèles « bi-locaux », qui promettent de montrer la réussite de l'expérience
avec des contraintes plus favorables sur la visibilité.
PERSONNES DE CONTACT:
Prof. Serge Massar (smassar@ulb.ac.be), Tél. 02 650 54 46,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
Laurent Olislager (lolislag@ulb.ac.be), 02 650 40 66,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
Erik Woodhead (ewoodhea@ulb.ac.be) L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE AU SERVICE DES TÉLÉCOMMUNICATIONS.

Informations : François Horlin, Serge Massar, Marc Haelterman
Étudiants concernés : Ir physiciens et physiciens, Ir Télécom, électronique, physique et informatique
Type : Théorique et/ou expérimental
Collaboration : En collaboration avec l’Université de Gand

MOTIVATION
Ce projet combine deux domaines à la pointe des recherches actuelles.

Dans le domaine des télécommunications, tout signal émis d'une source d'information vers
une destination subit des dégradations causées dans le canal de propagation des ondes. En
conséquence, la capacité du lien de communication est largement réduite. Par exemple, la
communication station de sol-satellite-récepteur sol est perturbée par la non-linéarité des
amplificateurs de puissance à bord du satellite qui déforment le signal envoyé. Des
techniques conventionnelles de traitement de signal permettent de compenser certains de
ces effets (égalisation de canal).

D'autre part, les réseaux neuronaux artificiels, inspirés des réseaux neuronaux biologiques,
permettent d’accomplir des tâches difficiles pour des problèmes classiques, tels que la
reconnaissance vocale ou la reconnaissance d’images. Notre objectif est d'utiliser une
technique d’intelligence artificielle appelée « reservoir computing » proposée récemment
(années 2000), et qui est particulièrement performante pour ce genre de tâches.

NATURE DU TRAVAIL

Le but du projet est de comparer les performances du reservoir computing avec les
méthodes conventionnelles d’égalisation du canal de communication par satellite décrit ci-
dessus, et de comprendre si le reservoir computing permet de meilleures performances. Des
résultats préliminaires dans la littérature semblent particulièrement prometteurs.

Ce projet interdisciplinaire se réalisera en collaboration entre :

-Marc Haelterman (OPERA-Photonique) et Serge Massar (Laboratoire d’Information
Quantique), qui travaillent depuis plusieurs années sur le « reservoir computing » dans le
cadre de la réalisation de systèmes analogiques de traitement de l’information.
-François Horlin (OPERA-Wireless) spécialiste des réseaux de communication sans fil.
-Benjamin Schrauwen (Reservoir Lab, Université de Gand), spécialiste des applications du
reservoir computing.

PERSONNES DE CONTACT:
Prof. François Horlin (fhorlin@ulb.ac.be), Tél. 02 650 67 41,
Prof. Campus du Solbosch, Bât. UA, niv. 3, local UA3.215A
Marc Haelterman (marc.haelterman@ulb.ac.be), Tél. 02 650 44 94,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
Prof. Serge Massar (smassar@ulb.ac.be), Tél. 02 650 54 46,
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A CONCEPTION D’UNE HORLOGE OPTIQUE À ULTRA-HAUTE CADENCE

Informations : Pascal Kockaert, Gregory Kozyreff
Étudiants concernés : ingénieurs en physique, physiciens
Type : Travail théorique, avec éventuelles vérifications expérimentales
Mots-clés : ultra-haute cadence, horloge optique, instabilité de modulation, optique non linéaire,
dynamique non linéaire en cavité
Collaboration : ONT (Fac. sciences)

MOTIVATION
Des dispositifs de routage totalement optique de l’information ont déjà été mis en œuvre au
niveau des laboratoires de recherche. Un des éléments importants pour le fonctionnement
de ces circuits et d’autres circuits de traitement tout optique de l’information est l’horloge
optique. Deux caractéristiques essentielles d’une horloge optiques sont un taux de répétition
au moins aussi élevé que la cadence de l’information à traiter et une stabilité de ce taux de
répétition. Un contraste important entre les états hauts et bas du signal de sortie est
également très important.
Une des réalisations, aujourd’hui classique, de l’optique non linéaire est l’anneau de fibre
optique, fermé sur lui-même au niveau d’un coupleur optique, qui permet, lorsqu’il est utilisé
en régime non linéaire, de transformer un faisceau laser continu en train d’impulsions.
Malheureusement, le taux de répétition de ces trains dépends habituellement très fortement
des fluctuations de la puissance d’entrée.
Récemment, un nouveau modèle de cavité, dans laquelle la lumière n'effectue que deux
passages a été proposée, pour générer des impulsions. Ce nouveau dispositif présente
l’avantage de générer des trains d’impulsions à cadence fixe, mais dont le contraste est
relativement limité.

NATURE DU TRAVAIL

Nous proposons d’étudier l’assemblage d’une boucle optique avec une cavité à double
passage pour réaliser une horloge optique à ultra-haute cadence (100GHz-1THz) dont le
taux de répétition soit fixe et le contraste entre les états hauts et bas soit important. Cette
horloge présenterait ainsi les deux avantages des dispositifs précédemment décrits.
Par le biais d’une étude théorique, analytique et/ou numérique, nous proposons d’étudier le
système présenté ci-avant. Une fois les paramètres principaux compris grâce à cette étude,
on tentera de définir des paramètres assurant au dispositif une grande compacité, en vue de
son intégration future sur puce.
Bien que la réalisation expérimentale du dispositif complet soit trop ambitieuse dans le cadre
d’un mémoire de fin d’études, certains aspects expérimentaux particuliers pourront être
testés en laboratoire si le besoin s’en fait sentir.
PERSONNES DE CONTACT:
Prof. Pascal Kockaert , (pascal.kockaert@ulb.ac.be), Tél. 02 650 48 55
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A

Gregory Kozyreff ,(Gregory.Kozyreff@ulb.ac.be) Tél 02.650.58.21

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