Onderzoeksproject P6/10 (Onderzoeksactie P6)
Dit IUAP-project gaat over fotonen, elektromagnetische velden, hun interactie met materie, en de exploitatie daarvan voor innoverende toepassingen op een schaal (micro, nano, kwantum) die eerder niet haalbaar was. Onze ambitie is om in één enkel consortium de hooggeëquipeerde laboratoria en de aanwezige expertise in België en de omliggende regio’s te integreren.
Vandaar de naam:
photonics@be, micro, nano en kwantum-fotonica.
photonics@be werd voorafgegaan en geïnspireeerd door het succesvolle IUAP V/18 Foton-netwerk (zie http://tona.vub.ac.be/photon), maar met photonics@be introduceren we belangrijke verbeteringen, meer bepaald wat betreft:
Het onderwerp:
• meer nadruk wordt gelegd op de fysica en technologie van fotonische materialen, mogelijk gemaakt door nieuwe ontwikkelingen op het vlak van fabricatie en karakterisatie;
• een exploratieve activiteit in het domein van de bio-fotonica wordt opgestart
• het onderzoek op het gebied van de kwantum optica voor informatieverwerking is nu verspreid over de verschillende werkmodules en dus beter geïntegreerd in het ganse project.
De onderzoeksteams: een nieuwe groep van excellente (jonge) onderzoekers (UGent-FCN) wordt nu in het netwerk opgenomen, terwijl twee andere groepen het netwerk verlaten. De twee buitenlandse groepen (USTLille-IRCICA en TU/e-COBRA Eindhoven) hebben hun participatieniveau opgedreven via nieuwe thema’s.
De opleiding en training van jonge onderzoekers: dankzij dit project krijgen jonge onderzoekers geoptimaliseerde werkomstandigheden om door te groeien naar top niveau in de fotonica. Deze omstandigheden worden geschapen door het hefboom effect, teweeggebracht o. m. door de samenwerking tussen de partners van dit netwerk, ten volle te benutten. De promotoren van dit project wensen hierbij de suksesvolle jaarlijkse doctorale school die onder IUAP V/18 opgestart werd, verder uit te bouwen.
Photonics@be wordt gecoördineerd door Philippe Emplit (ULB), bijgestaan door een stuurgroep bestaande uit : Serge Massar (wetenschappelijke co-coördinatie), Patrice Mégret (doctorale school), Hugo Thienpont en Roel Baets (interne en externe communicatie, internationalisatie), en een verantwoordelijke collega voor de editie van het jaarlijks verslag. Hugo Thienpont en Roel Baets coördineren elk afzonderlijk twee door de Europese Commissie gesponsorde Networks of Excellence in het domein der fotonica (NEMO and ePIXnet).
photonics@be is gestructureerd in vijf brede onderzoeksvelden (werkmodules). In elk van deze modules worden duidelijke, uitdagende en haalbare onderzoeksdoelstellingen gedefinieerd
Werkmodule 1, “ Nanostructuren & metamaterialen “, bestaat uit 3 delen: technologieplatformen, toepassingen en theorie. De technologieplatformen zijn gericht op de verschillende materiaalsystemen in de nanofotonica: Silicium voor passieve componenten, InP membranen voor actieve devices, nano-gestructureerde optische vezels, en halfgeleiders met bovenbekleding (vloeibare kristallen en nanopartikels). De toepassingen bouwen voort op deze technologieplatformen: nano-resonatoren in fotonische kristallen en metamaterialen, en nano-gestructureerde plasmonische componenten met verhoogde niet-lineaire effecten en verbeterde sensing-capaciteit. Tenslotte, in het gedeelte betreffende theorie en modellering, ontwikkelen we nieuwe simulatiepakketten voor de theoretische studie van optisch linkshandige materialen en de rol die deze kunnen spelen in hybride niet-lineaire structuren.
In werkmodule 2, “ Fysica en design van nieuwe fotonische bronnen “, plannen we om fundamenteel onderzoek te verrichten naar lichtbronnen met nieuwe of verbeterde gebruikseigenschappen. Hierbij zullen we enerzijds nieuwe concepten van fotonische bronnen onderzoeken, en anderzijds nieuwe manieren om het licht dat deze bronnen uitzenden te controleren in functie van nieuwe of verbeterde toepassingen. Hiertoe hebben we drie taken gedefinieerd. Wat betreft kwantum-bronnen zullen we vooral zoeken naar nieuwe manieren om verstrengelde fotonen te genereren. Bij de taak geavanceerde halfgeleiderlasers concentreren we ons op de studie van de fundamentele eigenschappen van kwantumstip-lasers, van lasers met micro-caviteit en van nieuwe methoden om het licht uitgezonden door halfgeleiderlasers te manipuleren in functie van nieuwe toepassingen. In het gedeelte fiber en nieuwe infrarode lasers exploreren we de fundamenten van fiber-laserdynamica en de mogelijkheden voor nieuwe fiber lasers, alsook nieuwe concepten voor supercontinuümgeneratie en Raman-lasers.
Werkmodules 3 betreft “ Volledig optische signaalverwerking (componenten) ”. Eén van de redenen dat de capaciteit van optische communicatienetwerken heden ten dage nog niet volledig benut wordt ligt erin dat de mogelijkheden van optische signaalverwerking nog zeer beperkt zijn en dat optisch-elektrische conversie onvermijdelijk is, wat de datasnelheid beperkt. Een veelbelovende piste om deze flessenhals te omzeilen is via volledig optische dataverwerking. Deze maakt gebruik van ultrasnelle niet-lineaire optische effecten die voorkomen in een heleboel materialen maar waar halfgeleiders de meest veelbelovende zijn omwille van hun vrij grote niet-lineariteit en de perspectieven van integreerbaarheid. Daarenboven maken recente doorbraken in nanocomponenten en/of fotonische-kristalstructuren, waaronder fotonische-kristalvezels, het interessant om de praktische haalbaarheid van volledig optische signaalverwerking opnieuw te onderzoeken. De focus in deze werkmodule is het onderzoek naar de implementatie van nieuwe volledig optische functies zoals schakelen in flip-flop mode, reconfigureerbare interconnecties en 2-3R regeneratie. Hierbij wordt o.a. gebruik gemaakt van de componenten gefabriceerd in werkmodule 1. In het domein van de kwantum-optica zullen we, gebruik makend van de hoge effectieve niet-lineaire effecten van nanofotonische structuren, de gecontroleerde opwekking van fotonen en hun manipulatie onderzoeken, in nauwe samenwerking met werkmodule 2.
Werkmodule 4, ” Klassieke en kwantum fotonische informatieverwerking (systeem concepten) “ is gericht naar het gebruik van licht in informatieverwerkende systemen. We zullen gedetailleerd de mogelijkheden van kwantum-communicatie en van chaotische dragers van informatie vergelijken, voor taken zoals cryptografie en random number generatie. Daarenboven zullen we ook de theoretische en experimentele basis van kwantum-informatieprocessing en -communicatie bestuderen. Daarnaast zullen we nieuwe concepten voor fotonische interconnecties in computers exploreren, en ook een nieuw concept genaamd “reservoir computing” voor een volledig optische (klassieke) computer. Voor elk van deze objectieven hopen we “proof-of-principle” demonstratoren te ontwerpen.
In werkmodule 5, ” Fotonische sensoren en biosensoren ”, zullen we nieuwe fysische concepten, nieuwe micro- en nano-optische componenten en fotonische bronnen onderzoeken specifiek met het oog op hun gebruik in (bio-)medische toepassingen, veiligheid, en detectietechnieken van het leefmilieu. In dit brede veld hebben we gekozen om ons in de eerste plaats te richten op: “lab-on-a-chip”, micro-fluïdische systemen, micro-gestructureerde vezels, fiber lasers en resonante structuren voor bio-sensing en mid-infrarood spectroscopie. Ook hier zullen we « proof-of-concept » demonstratoren ontwikkelen en testen, in nauwe samenwerking met experten uit nationale en Europese netwerken van excellentie die in dit pluridisciplinaire veld werken.
Tot besluit stellen we dat photonics@be een uniek platform vormt om fundamenteel onderzoek op hoog niveau in België en de omringende regio’s te ondersteunen en te coördineren, en dit in een domein —fotonica— dat steeds aan belang wint.
