These internships will be conducted at "Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique, Palaiseau). Some of them can be pursued by a PhD research.
List of proposed interneships for 2009/2010 :
- Stimulated Raman diffusion in the evanescent field of nanofibers
- Raman lasers for biological applications
- Contribution à la réalisation d’une mémoire « holographique » de très haute capacité
- All-Optical on-chip devices based on nonlinear microcavities
- Conversion de longueur d'onde dans les cristaux photoniques pour le traitement quantique de l'information
Research context : in the field of micro and nano optics there is a strong development of components based on micro and nanofibers such as microresonators for the miniaturization of optical circuits. Microfibers are optical fibers made with silica or highly nonlinear glasses with diameter smaller than one micrometer. Some studies have already been published in which the nonlinear optical properties of the fiber material –silica or glass- are used to produce for example a supercontinuum source. In collaboration with the Chinese university of Zhejiang, we propose a radically different approach. When the diameter of the fiber becomes very small –typically a few hundreds of nanometers – the evanescent field of the mode that propagates can become very high outside the fiber. By plunging the nanofiber in a highly nonlinear medium, the power density of the evanescent field probing the liquid will enable to realize optical nonlinear effects in the liquid. This original approach enables to use a wide choice of nonlinear materials.
Research project : we will begin by studying stimulated Raman diffusion in highly nonlinear liquids such as ethanol or benzene. We will begin to study straight nanofibers and demonstrate the principle of stimulated Raman diffusion in the evanescent field of a nanofiber. Then we will realize a resonator based on a microloop with a diameter of several hundreds of micrometers. The pump source will be a pulsed microlaser emitting at the fixed wavelength of 532 nm. In order to enhance the nonlinearities we will have to control the resonance conditions in the microresonator. The student will have to develop techniques using a splicer to draw nanofibers and to realize experiments characterizing the components. Theoretical calculations will be made in parallel of the experiment. Potential applications of these components will be carefully studied.
Contact : Sylvie Lebrun; tél : +33 (0)1 64 53 34 57; email: Cliquer ici
Research Context : Life sciences need laser sources emitting at given wavelengths in the visible range for applications such as the excitation of fluorophores or detection of cancers in vivo. The existing lasers are expensive, cumbersome and difficult to use for non-specialists. The solution that we propose in our research group MANOLIA is to use stimulated Raman diffusion in non-linear liquids inserted in the holes of a hollow core photonic crystal fiber (HC-PCF) [1,2]. In these fibers the guidance is obtained by photonic bandgap effect and light can propagate in the core of the fiber even if the refractive index is smaller than the one of silica. This enables to use a wide variety of non-linear liquids or gazes to fill the fiber with small propagation losses. A research team at the University of Bath studies non-linear effects in HC-PCF filled with gazes, the index of refraction of gazes being near 1 [3]. For the targeted biological applications it is more interesting to work with liquids or liquid mixtures, the refractive indexes being higher than 1 and smaller than the one of silica. We can benefit from the different Raman shifts of various liquids to generate a wide range of visible wavelengths that are not easily achieved with other means starting from one pump wavelength. As the transmission band of a HC-PCF can be shifted thanks to the refractive index of the liquid that fills the holes of the fiber it can be used to filter certain wavelengths (the pump and a given Stokes order for example) and to eliminate unwanted wavelengths (the other Stokes orders for example). We have demonstrated this principle through stimulated Raman diffusion in a HC-PCF filled with ethanol. In the experiment we have stopped the Raman cascade at the first Stokes order of ethanol thanks to the shift of the transmission band of the fiber. This has enabled us to generate the first Stokes order of ethanol with a very high conversion efficiency (70%).
Research project : The demonstration of principle was made in the pulsed regime at 630 nm. It is interesting for many applications to be in the continuous-wave regime. The realization of a cw Raman laser based on a HC-PCF filled with a liquid is very challenging since it implies to use a cavity. The student will have to measure the amplification gain in a HC-PCF filled with a liquid and to design the cavity. He (or she) will realize the cw laser at 630 nm. He (or she) will also study a cw laser emitting on the second Stokes order of a Raman liquid at 595 nm (excitation of fluorescent proteins). This demonstration of a cw Raman laser working on a given Stokes order will open the way to a new family of fibered and versatile laser sources that can be used in many biological applications. These sources will be tested in a biological laboratory that has shown a great interest for them.
Contact : Sylvie Lebrun; tél : +33 (0)1 64 53 34 57; email: Cliquer ici
Contexte du stage :
Les principaux acteurs de l’enregistrement sur support de type CD, DVR, BD, (Thomson Multimédia, Hitachi, Daewoo, Sony, Maxell, Samsung …) considèrent que la prochaine génération de disques sera holographique. Ainsi, 30% des communications aux conférences sur le stockage optique (ISOM, ODS) traitent de l’holographie. Les travaux sont d’ailleurs suffisamment avancés pour que la société InPhase en propose à la vente, ce qui prouve la faisabilité de ce type de stockage et les industriels s’accordent pour voir une large commercialisation à une échéance d’environ 10 ans. Cela dit, de nombreux travaux restent à faire pour obtenir un système d’enregistrement performant, et largement commercialisable.
Le groupe Manolia du LCFIO se base sur sa longue expérience, largement reconnue internationalement, pour étudier une architecture originale, basée sur le procédé interférentiel de Lippmann, très voisin des procédés holographiques. Dans ce procédé, le matériau photosensible est disposé en contact avec un miroir. Les images, dont chaque pixel représente un bit d’information, sont enregistrées par interférence entre le faisceau incident et sa réflexion sur le miroir. En mettant à profit la sélectivité de Bragg des matériaux épais, plusieurs images peuvent être superposées dans le même volume de matériau : chacune est inscrite et relue à une longueur d’onde qui lui est spécifique. De très fortes densités d'information peuvent en principe être obtenues : des capacités de l'ordre du TeraOctet semblent réalistes pour des disques épais d'un millimètre. Cette approche présente plusieurs avantages potentiels comme de ne pas nécessiter une très forte stabilité. Elle a fait l’objet d’un brevet déposé par le CNRS.
Dans ce projet, nous avons plusieurs axes de recherche : sur la conception d’un dispositif d’écriture-lecture, sur la modélisation de la propagation de la lumière, sur la réplication des informations, sur les matériaux,…
Description du travail de stage
Lors du stage proposé, le travail portera sur l’optimisation d’un banc de lecture et d’écriture des structures interférentielles. Le montage actuel, qu’il conviendra de faire évoluer, comporte différentes sources laser (diodes et laser solide), des composants électro-optiques, des platines motorisées… L’ensemble est piloté par ordinateur.
Bien que ce stage soit principalement expérimental, les résultats obtenus seront en permanence confrontés aux modélisations qui seront menées en parallèle des études expérimentales.
Contact : Gilles Pauliat; tél +33 (0)1 64 53 34 67; email: cliquer ici
Research Context :
The future need for on-chip optical interconnects drives the research towards new class of ultra-compact and low-power photonic devices. One of the research topics of the LCFIO’s group MANOLIA concerns characterizations and modeling of nonlinear optical devices and their applications for optical information processing. These devices are photonic crystal waveguides (PCWs) or optical microcavities realized on semiconductor platform. They are known to exhibit peculiar propagation characteristics, such as strong transverse confinement and slow-light propagation. As a result, nonlinearities in such structures can be considerably enhanced. Therefore, PCWs are really interesting for developing ultra-compact, low-power and very fast optical devices.
In order to investigate the nonlinear properties of the PCWs, we are developing both experimental and modeling tools. For instance, we have developed a very specific tunable Optical Parametric Oscillator (OPO) providing 10 ps pulses around 1550 nm [1]. By injecting light from the OPO into a GaAs PCW, we have been able to conduct the first quantitative experimental study of the nonlinearities enhancement due to light propagation in a slow mode waveguide [2]. This work has been conducted in collaboration with our colleagues of the Thales Research & Technologies (Palaiseau).
Research project :
The research project targets the next generation of all-optical on-chip devices, like optical buffer memories. The achievement of extremely small mode volume microcavities and of slow mode waveguides enables a very strong enhancement of the nonlinearities [2,3] which benefits to the development of ultra compact with low command power devices.
The candidate will conduct a project towards the development of a new revolutionary concept. More precisely, fundamental aspects about the dynamics of transient microcavities will be explored. One of the specific functionality that will be addressed concerns the study of an optical buffer memory operating with an optical control of the time delay minimizing the distortion of the stored information. This theoretical approach will drive the design of samples that will be fabricated in the join clean-room facilities of Thales RT-Institut d’Optique. These samples will be then characterized with advanced linear and nonlinear characterization facilities available in our laboratory.
The whole work will rely on our expertise in nonlinear photonic crystals [2,4] and on the competences of our collaborators from Thales R&T (Palaiseau) who have a strong expertise in the design, fabrication and characterizations of microcavities and PCWs in III-V semiconductors [5].
[1] A. Ryasnyanskiy et al. J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public. 3, 08037 (2008)
[2] A. Baron et al, Opt. Express, 17, 552 – 557 (2009)
[3] S. Combrié, et al., Opt. Lett. 33, 1908-1910 (2008).
[4] P. Delaye et al., J. Opt. Soc. Am. B 22, 2494-2504 (2005). L. Razzari et al. Appl. Phys. Lett. 86, 231106 (2005). M. Astic et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 224005 (2008).
[5] S. Combrié et al. Opt. Lett., 33, 1908 (2008). Husko et al. Appl. Phys. Lett. 94, 021111 (2009). M. Patterson et al. Phys. Rev. Lett. 102, 253903 (2009)
Contact : Nicolas Dubreuil; tél : +33 (0)1 64 53 34 61; email: Cliquer ici
Conversion de longueur d'onde dans les cristaux photoniques pour le traitement quantique de l'information
Avec le développement des sources de photons uniques ou de photons intriqués, les communications quantiques sont devenues une réalité avec des applications industrielles pour la distribution de clés de cryptage qui sont déjà disponibles sur le marché. Ces résultats prometteurs permettent d'ores et déjà de réfléchir à de véritables réseaux de communications quantiques intégrant la transmission quantique, mais aussi le traitement quantique de l'information (mémoire, interface, répéteur,...) utilisant des composants réalisant des conversions de longueurs d'onde tout en conservant les propriétés de cohérence et d'intrication quantique des photons. Pour réaliser ces dispositifs de conversion de longueur d'onde il faudra faire appel à des mécanismes nonlinéaires, essentiellement du second ordre, tels que la fluorescence paramétrique ou la somme et la différence de fréquence, dans des dispositifs à la fois compacts et efficaces.
La solution que nous avons choisie et qui sera l'objet de ce sujet de stage (puis de thèse) est d'utiliser les propriétés originales de propagation de la lumière des cristaux photoniques pour augmenter l'efficacité des processus nonlinéaires. Une des caractéristiques des cristaux photoniques est de pouvoir localiser la lumière près d'un bord de bande interdite ou sur un défaut de la structure. L'augmentation de la puissance lumineuse liée à cette localisation permet d'exalter les nonlinéarités de la structure. L'autre apport des cristaux photoniques est de créer de nouvelles possibilités de contrôle de l'accord de phase nécessaire à la réalisation de certains dispositifs nonlinéaires, grâce à la structuration de la susceptibilité nonlinéaire qu'apporte le retournement périodique à deux dimensions du signe de la susceptibilité nonlinéaire d'ordre 2.
Ces deux approches ont jusqu'à présent été étudiées indépendamment l'une de l'autre donnant lieu à la réalisation de dispositifs améliorés mais encore loin d'êtres optimaux. Le sujet de stage s'intéressera à l'étude de l'exaltation des nonlinéarités et en particulier des mécanismes de conversion de longueur d'onde dans des cristaux photoniques dans lesquels à la fois l'indice et la nonlinéarité sont structurés. Ces nouvelles structures permettront ainsi de combiner les propriétés de localisation de la lumière autorisant une augmentation de la susceptibilité nonlinéaire effective de la structure, avec les propriétés de quasi-accord de phase qui permettent de contrôler les longueurs d'onde émises. Il sera ainsi possible de concevoir et réaliser les dispositifs compacts et performants requis pour le traitement quantique de l'information, mais aussi d'imaginer de nouvelles fonctions impossibles à réaliser avec des structures classiques, telles que la génération de photons corrélés contrepropageants. Du point de vue expérimental, l'étudiant participera au développement des montages de caractérisation des propriétés nonlinéaires et quantiques des structures préalablement modélisées.
Contact : Philippe Delaye; tél +33 (0)1 64 53 34 60; email: cliquer ici