Projet de recherche P6/10 (Action de recherche P6)
Ce projet PAI concerne les photons et le champ électromagnétique, leur interaction avec la matière, et leur exploitation pour de nouvelles applications à des échelles (micro, nano et quantique) précédemment inaccessibles. Notre ambition est de regrouper, au sein d'un consortium unique, le savoir-faire et l'équipement de hauts niveaux qui existent déjà en Belgique et dans les régions avoisinantes.
De là vient son nom :
photonics@be, photonique micro, nano et quantique
photonics@be émane du fructueux PAI V18 « Photon Network ». Il s'inspire de ce programme pour ses aspects positifs et comprend les améliorations importantes décrites ci-après.
Thématiques :
• plus d'emphase est donnée à la physique et à la technologie des matériaux photoniques, ce qui reflète le développement récent de nos infrastructures de fabrication et de caractérisation ;
• nous lançons une activité prospective dans le domaine de la bio-photonique ;
• les activités de recherche en optique quantique pour le traitement de l'information, qui avaient démarré dans le « Photon Network », sont maintenant réparties dans les différents groupes de travail pour encore mieux les intégrer au sein du projet.
Sur la plan des ressources humaines, un nouveau groupe d'excellents (jeunes) chercheurs (UGent-FCN) fait maintenant partie du réseau, tandis que deux autres groupes le quittent. Les deux groupes étrangers (USTLille-IRCICA et TU/e-COBRA Eindhoven) s'impliquent davantage dans le réseau, avec de nouveaux thèmes de collaboration.
Pour la formation des jeunes scientifiques, le projet a comme ambition de leur fournir l’opportunité d’acquérir une compétence de niveau international dans le domaine de la photonique par le biais des riches collaborations entre partenaires. En particulier, le succès de l'école doctorale initiée dans la phase V18 du PAI, nous convainc de poursuivre son organisation et l'étendre un peu plus.
Le projet photonics@be est coordonné par Philippe Emplit (ULB) assisté par un comité de direction qui inclut Serge Massar (pour la coordination scientifique), Patrice Mégret (école doctorale), Hugo Thienpont et Roel Baets (pour la communication externe et interne), et un(e) collègue en charge de l'édition des rapports annuels. Hugo Thienpont et Roel Baets, tous deux membres du comité de direction, coordonnent indépendamment deux des réseaux d'excellence européens les plus importants en photonique (NEMO et ePIXnet).
Le projet photonics@be est structuré en cinq domaines de recherche étendus (groupes de travail ).
Le premier groupe de travail, « nanostructures et métamatériaux » comprend trois volets : l’un s’articulant autour des plate-formes technologiques, l’autre autour des applications et le troisième autour de la théorie. Comme leur nom l’indique, les plate-formes technologiques concernent directement les capacité de fabrication de différents types de matériaux et structures. Les techniques qui seront abordées sont celles du silicium pour composants passifs, de la fabrication de membranes reportées d'InP pour dispositifs actifs, de fibres nanostructurées, et de matériaux semi-conducteurs recouverts d'une couche de cristaux liquides ou de nanoparticules. Le deuxième volet concerne les applications basées sur ces plates-formes technologiques. Nous comptons réaliser des résonateurs nanophotoniques dans des cristaux photoniques et dans les métamatériaux, ainsi que des nanostructures plasmoniques où les effets non linéaires seront accrus et qui amélioreront les senseurs. Enfin, un dernier volet visera à la modélisation du comportement des ces nouveaux dispositifs. En particulier, nous aborderons le développement de nouveaux outils de simulation pour l'étude des (méta)matériaux gauches et leur insertion dans des structures non linéaires hybrides, telles que des résonateurs optiques.
Le deuxième groupe de travail, « physique et conception de nouvelles sources photoniques » est dédié à l'exploration fondamentale de sources photoniques offrant de nouvelles ou de meilleures fonctionnalités. L'approche est basée à la fois sur de nouveaux concepts pour les sources photoniques et sur de nouvelles méthodes pour dessiner et contrôler ces sources. Ce groupe de travail est subdivisé en trois tâches. La partie sources quantiques, s'agence autour de l'étude de différents schémas de génération de paires de photons intriqués. Pour les aspects avancés des lasers semi-conducteurs, nous étudierons essentiellement les propriétés fondamentales des points (ou boîtes) quantiques et des micro-lasers, ainsi que les nouvelles méthodes pour adapter l'émission des lasers semi-conducteurs aux besoins actuels. En ce qui concerne les lasers fibrés et les nouvelles sources dans l’infrarouge médian nous explorerons les fondements de la dynamique des lasers et des amplificateurs à fibres, la conception de nouveaux types de sources fibres ainsi que les concepts récents apparus dans les lasers Raman et dans les lasers à spectres extrêmement étendus, dits “supercontinuum”.
Le troisième groupe de travail concerne le « traitement totalement optique du signal - composants ». De nos jours, une des raisons majeures qui empêchent l'utilisation de la pleine capacité des réseaux de télécommunications est le caractère encore très limité du traitement optique de l'information qui ne peut remplacer totalement les dispositifs électroniques. Cela rend les conversions optique-électronique inévitables et limite les taux de transmission de données réalisables. Une des plus prometteuse façon de s'affranchir de ce problème est de traiter l'information de manière totalement optique, au moyen d'effets non linéaires ultrarapides induits par la lumière elle-même dans une variété de matériaux parmi lesquels les semi-conducteurs figurent au rang des meilleurs candidats, par leur intégrabilité et leur importante non-linéarité effective. Les récentes avancées dans la fabrication de structures nanophotoniques et de dispositifs à cristaux photoniques ultracompacts - en ce compris les fibres à cristaux photoniques - confèrent un intérêt pratique au traitement totalement optique de l'information. Le troisième groupe de travail vise à l'implémentation de nouvelles fonctionnalités totalement optiques, telles que la commutation en mode flip-flop, les interconnexions reconfigurables et la génération dite 2-R ou 3-R ; notamment au moyen des dispositifs conçus dans le premier groupe de travail. Les importantes non-linéarités effectives offertes par la nanophotonique seront également exploitées, en lien étroit avec le deuxième groupe de travail, pour la génération et la manipulation contrôlées de photons dans le domaine de l'optique quantique.
Le quatrième groupe de travail, « traitement optique de l'information - systèmes » est dédié à l'utilisation de la lumière pour la manipulation d'informations dans des systèmes. Nous mènerons une comparaison détaillée sur l'usage des communications quantiques et des porteuses chaotiques pour des manipulations de l'information comme la cryptographie et la génération de nombres aléatoires. En outre, nous étudierons les bases théoriques et expérimentales du traitement et de la communication de l'information quantique. Nous travaillerons également à l'intégration de fonctionnalités au sein des réseaux photoniques et à l’étude des nouveaux concepts pour les interconnections photoniques au sein d'ordinateurs, ainsi que le nouveau concept de « reservoir computing » pour un ordinateur (classique) totalement optique. Nous espérons la réalisation de plusieurs dispositifs de démonstration de faisabilité de ces différents objectifs.
Le cinquième groupe de travail, « photo et bio senseurs » est dédié à l'exploration et au développement de nouveaux concepts physiques, de nouveaux composants micro et nano optiques et de sources photoniques en vue de leur utilisation dans les sciences du vivant et les applications de soins de santé, dans la sécurité et pour les senseurs environnementaux. Parmi la large gamme de thématiques de recherche, nous avons décidé de concentrer nos efforts sur le laboratoire sur puce, les systèmes micro-fluidiques, les fibres microstructurées, les lasers à fibres et les structures résonantes pour (bio)senseurs, ainsi que la spectroscopie dans l'infrarouge médian. Pour ces recherches, nous visons au développement de démonstrations de faisabilité au moyen de réalisations que nous testerons et évaluerons en collaboration étroite avec différents experts de réseaux d'excellence nationaux et européens qui travaillent dans ce domaine multi-disciplinaire.
En résumé, le projet photonics@be offre une plate-forme unique de support et de coordination de la recherche fondamentale de haut niveau en Belgique et dans les régions avoisinantes, dans un domaine de recherches dont l'importance est en pleine croissance.
