MFEs 2018 2019 OPÉRA-photonique École polytechnique de ... · corpuscule, intrication ; et des...
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1 École polytechnique de Bruxelles Campus de Solbosch Avenue F. roosevelt, 50 - CP Service OPERA Direction : Yves LOUIS B - 1050 Bruxelles T +32 (0)2 650 28 02 F +32 (0)2 650 44 96 Mail: [email protected] 0407 626 464 RPM Bruxelles MFEs 2018 – 2019 OPÉRA-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 2 e année du master en Sciences physiques. Les thèmes proposés s’intègrent dans la palette des activités de recherche développées par les groupes Photonique et Wireless du Service OPERA.
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École
polytechnique de Bruxelles
Campus de Solbosch Avenue F. roosevelt, 50 - CP Service OPERA Direction : Yves LOUIS B - 1050 Bruxelles T +32 (0)2 650 28 02 F +32 (0)2 650 44 96 Mail: [email protected] 0407 626 464 RPM Bruxelles
MFEs 2018 – 2019
OPÉRA-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 les groupes Photonique et Wireless du Service OPERA.
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Service OPÉRA-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 (double-anneau; beta4 ; anti-
résonance) 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.
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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 deux mémoires dans ce cadre :
l'un visant à étudier les propriétés intrinsèques de matériaux 2D et en particulier celles du graphène ;
l'autre visant à étudier la propagation de lumière dans des guides d'ondes recouverts d'une couche de
matériau 2D. Un autre sujet concerne l’étude de l’effet laser dans des cellules de cristal liquide
Bio Photonique
Dans le domaine de la bio-photonique, nous collaborons actuellement avec la société Synergia
Medical et le service BEAMS-BIO de l’ULB dans le cadre d’un projet de développement d’une
nouvelle génération de neuro-stimulateur actif opto-électronique implantable, pour le traitement de
l’épilepsie. Ce neuro-stimulateur tout-optique permettra d’une part de stimuler optiquement un nerf,
mais aussi de mesurer son activité via une électrode neuronale optique. Le sujet de mémoire
proposé porte sur le développement de telles électrodes optiques (Neurosensing).
Spectroscopie
En étroite collaboration avec la société Lambda-X, PME basée à Nivelles, nous proposons un projet
sur la réalisation d’un prototype d’imageur capable de résoudre le spectre optique en tout point de
l’image. Ces imageurs trouvent de nombreuses applications en contrôle qualité ou dans le domaine
spatial, par exemple pour l’observation de la Terre (SpatialHeterodyne).
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 (Brillouin/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 : (voir Birefringent FWM et Single photon source)
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.
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Nous proposons deux sujets de mémoire dans ce domaine : une étude prospective sur l’utilisation
de tels systèmes pour des applications en télécommunications 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 optiques basés sur l’utilisation de la fréquence comme degré de liberté.
Par ailleurs ces travaux nous ont menés à élargir nos recherches vers d’autres domaines liés à
l’intelligence artificielle. D’une part nous étudions comment des algorithmes simples d’intelligence
artificielle peuvent être utilisés pour contrôler des robots faits de matériaux mous (beaucoup plus
proche des organismes biologiques que les robots rigides, mais aussi beaucoup plus difficiles à
contrôler). D’autre part, nous nous intéressons au fonctionnement d’un organe dans le cerveau, le
cervelet, dont l’architecture ressemble beaucoup à celle des systèmes photoniques sur lesquels
nous travaillons. Nous proposons un sujet dans ce domaine qui a comme point de départ la
réalisation d’une comparaison entre un modèle du cervelet réaliste basé sur des impulsions
nerveuses et un modèle plus simple et déjà implémenté basé sur les taux moyen des impulsions.
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
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Caractérisation du tenseur optique non linéaire de matériaux 2D par
détection hétérodyne d'un changement de polarisation
Informations : Pascal Kockaert
Étudiants concernés : Ingénieurs physiciens, physiciens
Type : Théorique et expérimental (option)
Mots clés : photonique, graphène, matériaux 2D, traitement optique du signal, tenseur de susceptibilité (non) linéaire
MOTIVATION
Notre laboratoire a récemment développé une approche théorique et expérimentale de l'interaction d'ondes optiques avec un milieu bidimensionnel. D'une part, une modélisation théorique au départ des équations de Maxwell a été établie. Celle-ci permet de relier directement les valeurs provenant de calculs quantiques à celles provenant d'expériences. D'autre part, la mesure de plusieurs composantes tensorielles de la susceptibilité non linéaire du graphène a été effectuée. Celle-ci a permis d'établir un lien entre certaines composantes et la dynamique microscopique liée aux effets non linéaires dans le graphène.
OBJECTIF DU MÉMOIRE
Nous voudrions compléter la théorie et les mesures pour accéder individuellement à toutes les composantes du tenseur de susceptibilité du graphène, et plus généralement de matériaux 2D quelconques.
NATURE DU TRAVAIL
La première étape du travail sera théorique. Il s'agira de déterminer quelles composantes du tenseur non
linéaire du troisième ordre sont accessibles à l'expérience et comment il faut modifier le montage existant
pour y parvenir. Une deuxième étape consistera à modifier le montage et à mesurer au moins une nouvelle
composante du tenseur de non-linéarité sur un échantillon. Un des objectifs de ce travail est de relier les
dynamiques microscopiques lentes et rapides à ces différentes composantes, et éventuellement d'en
donner une justification. L'équilibrage entre partie théorique et expérimentale est modulable.
CONTACT
Pascal Kockaert ([email protected]), Tél. 02-650.48.55 Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
RÉFÉRENCES
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]
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Modélisation et caractérisation de guides d'ondes recouverts de graphène ou
d'un autre matériau 2D
Informations : Pascal Kockaert
Étudiants concernés : Ingénieurs physiciens, physiciens
Type : Théorique (analytique, numérique) et expérimental (option)
Mots clés : circuit photonique intégré, graphène, matériaux 2D
MOTIVATION
La simulation de matériaux 2D posés sur une couche guidante beaucoup plus épaisse se fait généralement par l'introduction d'une permittivité effective. Une modélisation plus adaptée se base sur les courants de surface.
OBJECTIF DU MÉMOIRE
En utilisant une approche perturbative de type WKB, il est possible d'extraire de cette modélisation en termes de courant des paramètres effectifs (constante de propagation, etc.) du guide surmonté d'une couche de graphène.
Cette approche permettra de lever une des limitations des simulateurs existants basés sur l'utilisation de maillages. En effet, pour limiter le nombre de points du maillage, il est nécessaire de modéliser la couche de matériau 2D par une couche effective plus épaisse garantissant que cette couche contienne suffisamment de points du maillage. Nous veillerons à considérer la nature tensorielle (non isotrope) de la réponse du graphène, ainsi que la dispersion (non instantanéité).
NATURE DU TRAVAIL
Une première étape théorique visera à modéliser une
structure guidante simple couverte de graphène par l'approche WKB. Les résultats de simulations pourront
être comparés à des résultats expérimentaux publiés dans la littérature.
Dans un deuxième temps, on pourra envisager (i) d'effectuer des mesures sur les guides d'ondes couverts
de graphène disponibles dans notre laboratoire ; (ii) ou d'étudier l'application de la méthode à des structures
plus compliquées telles qu'un coupeur non linéaire. (iii) De manière optionnelle, on comparera les résultats
numériques aux résultats expérimentaux obtenus à l'étape précédente.
CONTACT
Pascal Kockaert ([email protected]), Tél. 02-650.48.55 [S. C3.122A]
RÉFÉRENCES
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]
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Étude d’un nouveau type de rétroaction optique pour les applications en
photonique
Informations : Pascal Kockaert, Gregory Kozyreff (U.L.B.)
Étudiants concernés : ingénieurs en physique, physiciens
Mots clés : cavités optiques, fibres, circuit intégré,
rétroaction, création de nouvelles fréquences
MOTIVATION
Les lasers existent depuis un demi-siècle. Depuis ce temps, la rétroaction optique et sa dynamique ont été étudiées intensément. La rétroaction optique classique dépend habituellement de la phase, ce qui impose de contrôler la taille des résonateurs avec une très grande précision.
Nous avons montré qu’un nouveau type de rétroaction est possible. Ce mécanisme est basé sur des interactions optiques non linéaires et est indépendant de la phase. Une compréhension détaillée de la dynamique interne des résonateurs optique avec gain et rétroaction fut nécessaire pour produire des impulsions en sortie d’un laser. On a pu montrer qu’un mécanisme de rétroaction insensible à la phase (MRIP) conduit à des dynamique intéressantes.
DESCRIPTION
Dans un premier temps, nous proposons de vérifier expérimentalement les prévisions numériques, pour ensuite étendre les résultats analytiques et numériques sur le MRIP. L’objectif final de ce travail est d’identifier de nouvelles dynamiques pouvant être utilisées en photonique, pour générer des trains d’impulsions, constuire une mémoire optique et/ou des portes logiques, et répliquer des données sur différents canaux fréquentiels.
NATURE DU TRAVAIL
Une première phase du travail combinera l’approche numérique et analytique. Elle visera à mettre en évidence de
nouveaux régimes dynamiques. Une partie du travail pourra être consacréeà la conception d’une expérience
permettant de vérifier la théorie, tenant compte des contraintes pratiques. La réalisation d’un dispositif préliminaire
pourrait être éventuellement entamée.
CONTACT
Pascal Kockaert ([email protected]), Tél. 02-650.48.55
Gregory Kozyreff ([email protected]), Tél. 02-650.58.21
RÉFÉRENCES
[Kockaert 2006] P. Kockaert et al., Opt. Lett. 31 (2006) 495.
[Kozyreff 2006] G. Kozyreff, Phys. Rev. A 73 (2006), 063815.
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Accordabilité des lasers à cristaux liquides dans des cellules
microstructurées
Informations : Pascal Kockaert (ULB)
Étudiants concernés : ingénieurs en physique, physiciens
Type : Experimental work
Collaboration : J. Beeckman (Ugent), S. Morris (Oxford university)
Mots clés : liquid crystal lasers, wavelength & angle tunability, micro-engineered cells
MOTIVATION :
Les lasers à cristaux liquides sont formés d’enroulements moléculaires formant des hélices dans lesquels un milieu à gain (colorant, polymère) est dilué.
L’enroulement hélicoïdal joue le rôle d’un réseau de Bragg distribué pour une polarisation circulaire de bonne orientation par rapport à celle de l’hélice, ce qui permet la réflexion multiple de certaines longueurs d’onde au sein de la solution de cristal liquide et conduit à une émission laser.
Les premiers lasers basés sur ce principe ont été fabriqués avec l’axe de l’enroulement hélicoïdal perpendiculaire aux lames de la verre de la cellule.
DESCRIPTION
Dans le cadre d’une thèse, nous avons réalisé des cellules dans lesquelles l’axe des hélices est parallèle aux faces de la cellule, ce qui devrait permettre le contrôle de la longueur d’onde d’émission et même de sa direction.
Le travail visera à tester les propriétés de ces cellules, du point de vue de l’émission laser.
NATURE DU TRAVAIL
Le travail sera essentiellement de nature expérimentale. Il sera toutefois nécessaire de bien comprendre la physique
microscopique des cristaux liquides et la structure des cellules pour interpréter les résultats.
CONTACT
Pascal Kockaert ([email protected]), Tél. 02-650.48.55
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
RÉFÉRENCES
S. Bolis et al., Liquid crystals, vol. 45, p. 774 (2018)
[ https://doi.org/10.1364/OL.37.001856]
http://www-g.eng.cam.ac.uk/CMMPE/nphoton_lclaser_article.pdf
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Modélisation du traitement de l’information dans le cervelet avec un modèle
impulsionel
Nature du travail : travail conceptuel et numérique.
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Mots clés : Neuroscience, Modélisation, Traitement de l’information.
MOTIVATION
Depuis quelques années le service OPERA-Photonique en collaboration avec le Laboratoire d’Information Quantique (Faculté des Sciences) exploite son expertise en intelligence artificielle pour essayer de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau. Actuellement l’équipe s’intéresse au fonctionnement du cervelet, qui a une structure relativement simple (il ne comporte qu’une petite dizaine de types de neurones différents) et un rôle assez bien compris (il est responsable entre autres du contrôle moteur fin). Néanmoins de nombreuses questions demeurent sur comment le cervelet traite l’information, et quel type de calcul il effectue.
Les neurones transmettent l’information par des impulsions électriques. Mais jusqu’à présent l’équipe a travaillé sur des modèles continus, dans lesquels les variables sont les taux d’impulsions. Le passage à des modèles plus réalistes, dits « impulsionels », est une étape essentielle qui servira de base à la suite de nos explorations du fonctionnement du cervelet.
OBJECTIFS DU MEMOIRE L’objectif du mémoire est 1) de développer un modèle impulsionel du cervelet ; 2) de comparer le traitement de l’information dans ce modèle avec les résultats déjà obtenus dans le modèle continu.
REFERENCES
[1] https://fr.wikipedia.org/wiki/Cervelet
[2] MEDINA, Javier F. et MAUK, Michael D. Computer simulation of cerebellar information processing. nature
neuroscience, 2000, vol. 3, no 11s, p. 1205.
[2] LEE, Jun Haeng, DELBRUCK, Tobi, et PFEIFFER, Michael. Training deep spiking neural networks using
backpropagation. Frontiers in neuroscience, 2016, vol. 10, p. 508.
CONTACT
Prof. Marc HAELTERMAN ([email protected]), tél. 02 650 2821
Prof. Serge MASSAR ([email protected]), Tél. 02 650 5446
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
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Etude numérique de l’application d’intelligence artificielle de type « Bayesian
Optimization » au contrôle d’un robot
Informations : Serge Massar, Marc Haelterman
Etudiants concernes : Ir Electro-mecaniciens, Ir Physiciens, Ir Informaticien.
Mots clés : Robotique, Intelligence artificielle.
MOTIVATION
Un développement très récent en robotique est la conception de robots qui, à l’image de beaucoup d’êtres vivants, sont constitués de matériaux mous. Par rapport aux robots traditionnels « rigides », ces robots ont l’avantage d’être bon marché (les matières plastiques sont en effet beaucoup moins coûteuses que les métaux), plus robustes (un robot mou est intrinsèquement résistant aux chocs) et capables de tâches nouvelles grâce à une interaction plus « subtile » avec leur environnement (par exemple, pour la manipulation d’objets fragiles). Puisqu’ils sont « mous » ces robots sont caractérisés par une infinité de degrés de liberté et leur contrôle doit dès lors être abordé de façon toute différente de ce qui est proposé pour les robots rigides. C’est la raison pour laquelle, dans le cadre de nos recherches en intelligence artificielle, nous nous sommes récemment intéressés à l’application du concept de « Bayesian Optimization » au contrôle de robots mous.
DESCRIPTION
Le travail de mémoire proposé ici consiste en l’étude numérique du contrôle d’un robot mou simulé. Le contrôle doit ici être compris au sens large du terme dans la mesure où elle inclut la notion d’apprentissage. L’idée poursuivie est d’implémenter des algorithmes efficaces de type « Bayesian Optimization » pour rechercher les meilleures commandes pour un robot.
Les résultats obtenus dans le cadre du mémoire nous servirons de guide dans l’étude expérimentale du contrôle d’un robot mou physique que nous avons débutée il y a peu.
NATURE DU TRAVAIL
Le travail sera exclusivement numérique et consistera dans un premier temps à utiliser la modélisation numérique d’un robot existant pour lui apprendre à effectuer des tâches telles que se déplacer dans un espace à 2 dimensions avec obstacles. Il s’agira ainsi d’implémenter des algorithmes d’intelligence artificielle du type « Bayesian Optimization » qui permettent au robot d’apprendre de façon autonome et efficace. Le robot ainsi que les tâches réalisées pourront être complexifiés au fur et à mesure des progrès de l’étude.
CONTACT
Prof. Marc HAELTERMAN ([email protected]), tél. 02 650 2821 Prof. Serge MASSAR ([email protected]), Tél. 02 650 5446
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
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RESERVOIR COMPUTER PHOTONIQUE BASE SUR LE MULTIPLEXAGE EN
FREQUENCE
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», 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. Des
premiers résultats encourageants ont été
obtenus [1], mais en raison d'un manque de
stabilité de l’interféromètre utilisé, ceux-ci
n’ont pas encore pu être confirmés.
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Le but du travail sera de développer le système de reservoir computer basé sur le multiplexage en longueur
d’onde. Le premier objectif sera de stabiliser la cavité fibrée qui constitue le cœur du dispositif. Cette
stabilisation est plus complexe que d’habitude en raison de la présence d’un amplificateur dans la cavité.
Une fois la cavité stabilisée, on pourra passer au test du système et vérifier s'il est capable de traiter de
l’information comme un réseau de neurones, par exemple sur des tâches de reconnaissance vocale ou
d’égalisation de canal.
NATURE DU TRAVAIL
Il s’agit d’un travail de nature essentiellement expérimentale, mais avec un aspect numérique important
(simulation du dispositif, programmation des appareils de mesure).
REFERENCES [1] AKROUT, Akram, BOUWENS, Arno, DUPORT, François, et al. Parallel photonic reservoir computing using
frequency multiplexing of neurons. arXiv preprint arXiv:1612.08606, 2016.
CONTACT
Prof. Marc HAELTERMAN ([email protected]), tél. 02 650 2821
Prof. Serge MASSAR ([email protected]), Tél. 02 650 5446
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
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APPLICATION DE L’ORDINATEUR PHOTONIQUE ANALOGIQUE AUX
TÉLÉCOMMUNICATIONS HAUT DEBIT.
Nature du travail : Modélisation numérique.
Etudiants concernés : Ir physiciens, Ir électriciens, Physiciens
Collaboration : Faculté des Sciences
Mots clés : intelligence artificielle, télécommunications, 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 qui pourrait rivaliser,
voire dépasser 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» que nous abordons sous l’angle du «reservoir
computing», un paradigme particulièrement bien adapté à
l’implémentation physique des réseaux de neurones. Des
démonstrations de principe de «reservoirs computers» ont déjà été
réalisées avec succès au sein de notre groupe de recherche sur
plusieurs applications telles que la reconnaissance vocale ou
l’égalisation de canal de télécommunication RF (redressement d’un
signal RF distordu en raison de sa propagation dans un canal de
transmission).
Le travail de mémoire proposé ici a pour ambition de poser les bases de l’utilisation du reservoir computing
pour des applications en télécommunications optique à très haut débit. Les deux applications envisagées
sont l’égalisation de canal (la correction des distorsions subies par le signal lors de sa propagation) et la
reconnaissance d’en têtes (nécessaire pour aiguiller les signaux vers leur adresse de destination). Ces
deux questions posent encore aujourd’hui d’énormes problèmes technologiques. Le recours à un ordinateur
analogique photonique de grande capacité devrait permettre de contourner les difficultés rencontrées avec
les solutions actuelles. Le travail proposé constituera la base pour la démonstration expérimentale ultérieure
de ces tâches sur un système expérimental.
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Le travail débutera avec l’étude des canaux de communication optiques proprement dits afin d’avoir une
simulation détaillée de la tâche à réaliser. Par exemple l’égalisation de ces canaux sera étudiée au regard
de diverses sources de distorsion de signal telles que les interactions lumière-matière au sein de la fibre, le
bruit d’amplification, les interactions entre canaux, etc. Ensuite on étudiera numériquement la capacité d’un
reservoir computer photonique à effectuer la tâche considérée.
NATURE DU TRAVAIL
Il s’agit d’un travail de nature essentiellement numérique, au cours duquel la dimension physique et
technologique (télécommunications) sera explorée. Pour aboutir dans ce mémoire, l’étudiant sera amené à
se familiariser avec des notions d’intelligence artificielle et avec le reservoir computing en particulier.
CONTACT
Prof. Marc HAELTERMAN ([email protected]), tél. 02 650 2821
Prof. Serge MASSAR ([email protected]), Tél. 02 650 5446
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A
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Quasi deterministic source of single photons.
Nature du travail : travail analytique avec débouché expérimental
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Mots clés : 4-wave mixing, single photon source, optique non linéaire
CONTEXT
Single photon sources are an essential building block in optical quantum information. As the most common approach to build a single photon source is based on a single emitter, an alternative approach exists that relies on parametric/probabilistic sources of photon pairs. In this later architecture, one photon of a generated pair is detected to herald the presence of its remaining partner. Many such sources can be combined so that even if the probability of success of one source is rather low, the probability than one at least fires a pair reaches asymptotically unity. With proper feedback, this approach [1] can results in efficient emission of single photons whose properties (duration, spectrum, polarization, mode
profile, purity) can be adjusted much better than for single emitters. A recent demonstration [2] showed that a single polychromatic photon pair source can replace the many identical sources needed in such a scheme and by using some kind of “color switch” in place of a router. While this early demonstration made use of 3 color channels, a near unity efficient source will require an order of magnitude increase in that number of channels. Practically, this is possible through the use of a continuous spectrum and chirped pulsed frequency conversion [3,4].
GOAL
The proposed scheme is dependent on many parameters: the duration of the generated photons, their spectrum, the time resolution of the detection, the time response of a pulse picker (amplitude modulator), the chirp that can be imparted on single photons, the operation bandwidth of the frequency converter. All those parameters will eventually define the specifications of the single photon source: its brightness, its purity, its indistinguishability and the overall feasibility of an implementation. The master thesis consists in studying theoretically (analytically) this scheme paying attention to the various steps of the system and performing a proper treatment in the spectral and temporal domain.
REFERENCES
[1] Migdall AL, Branning D, Castelletto S. Tailoring single-photon and multiphoton probabilities of a single-photon on-
demand source. Physical Review A. 2002 Nov 13;66(5):053805.
[2] Joshi C., Farsi A., Clemmen S., Ramelow S., Gaeta, A. L., Frequency multiplexing for quasi-deterministic heralded
single-photon sources. Nature communications, 9(1), 847(2018).
[3] Salem R, Foster MA, Turner AC, Geraghty DF, Lipson M, Gaeta AL. Optical time lens based on four-wave mixing
on a silicon chip. Optics letters 15; 33(10):1047-9. (2008)
[4] McKinstrie CJ, Mejling L, Raymer MG, Rottwitt K. Quantum-state-preserving optical frequency conversion and pulse
reshaping by four-wave mixing, Physical Review A 22 (85) (5):053829 (2012)
CONTACT
Prof. Serge Massar ([email protected]), Dr. Stéphane Clemmen ([email protected]), Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA + LIQ
14
High resolution spontaneous Brillouin/Raman spectroscopy.
Nature du travail : travail de conception et expérimental Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique Mots clés : spectroscopie Raman/Brillouin, instrumentation
CONTEXT
Raman spectroscopy is a very mature technology to probe chemical compounds and is being used extensively for probing biological matter. Its extension to very low frequencies [1] allows to gather information about not only the composition but also about the shape and structure of nanoparticles. Biological nanoparticles such as viruses don’t differ much by their composition but do come in a wide variety of shape and structure. Low-frequency Raman spectroscopy would be therefore a valuable tool for their characterization. Proper spectroscopy of viral particles can in principle also act as a diagnostic tool as the spectra are fingerprint for nanoparticles.
Mechanical vibration mode of a
nanoparticle
GOAL
The project consists in designing, building and characterizing a state of the art spectroscopic system made
of a traditional diffraction grating, a Virtual imaged phase grating (VIPA) [3], and a single photon sensitive
camera. The system will be validated by performing the spectroscopy of various nanoparticles.
CONTACT
Prof. Simon-Pierre Gorza ([email protected]), Dr. Stéphane Clemmen ([email protected]), Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA
REFERENCES
[1] Harish Kumar Yadav, Vinay Gupta, K Sreenivas, SP Singh, B Sundarakannan, and RS Katiyar, “Low frequency
raman scattering from acoustic phonons confined in zno nanoparticles,”Physical review letters 97, 085502 (2006).
[2] Paul V Ruijgrok, Peter Zijlstra, Anna L Tchebotareva, and Michel Orrit, “Damping of acoustic vibrations of single
gold nanoparticles optically trapped in water,” Nano letters 12, 1063–1069
[3] https://lightmachinery.com/optics/custom-optics/vipas/
15
Birefringent phase matching for 4-wave mixing in SiN waveguides
Nature du travail : travail de conception et expérimental
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Mots clés : spectroscopie Raman/Brillouin, instrumentation
CONTEXT
Nanophotonic waveguides have been used for nonlinear optics
extensively in the past decade [1]. The high confinement of light in
nanophotonic structures indeed allows for a strong light matter
interaction. This has been exploited for frequency comb
generation, supercontinuum generation, photon pair generation,
and frequency manipulation of quantum light. The success of these
realizations is not only the result of the higher nonlinearity in those
nanostructures but also of the capability to adjust the dispersion properties of waveguides
via their geometry. Dispersion engineering allows phase matching that is a condition for
efficient buildup of new waves in parametric processes. Yet, some nonlinear wave mixing
processes require level of dispersion that are not achievable. An alternative is to achieve
phase matching in polarization by tailoring the birefringence of nanophotonic waveguides.
Similarly to the dispersion, the birefringence of a waveguide can be adjusted significantly via
a suitable geometry.
GOALS
The thesis project consists in studying theoretically the possibilities that offer the tuning of the birefringence
for the two following processes
- the generation of photon pairs via vectorial four wave mixing [2] - their spectral manipulation via four-wave mixing Bragg scattering [3-5]
The project involves gaining a basic knowledge of the two phenomena involved. Then, numerical
simulations will be required for estimating the refractive indices of the waves involved. Subsequently,
experimental work may be possible if requested.
REFERENCES
[1] Leuthold, J., Koos, C., & Freude, W. (2010). Nonlinear silicon photonics. Nature Photonics, 4(8), 535.
[2] Amans D, Brainis E, Haelterman M, Emplit P, Massar S. Vector modulation instability induced by vacuum
fluctuations in highly birefringent fibers in the anomalous-dispersion regime. Optics letters. 2005 May 1;30(9):1051-3.
[3] Agha I, Davanço M, Thurston B, Srinivasan K. Low-noise chip-based frequency conversion by four-wave-mixing
Bragg scattering in SiN x waveguides. Optics letters. 2012 Jul 15;37(14):2997-9.
[4] McKinstrie CJ, Harvey JD, Radic S, Raymer MG. Translation of quantum states by four-wave mixing in fibers.
Optics Express. 2005 Oct 31;13(22):9131-42.
[5] Clemmen S, Farsi A, Ramelow S, Gaeta AL. Ramsey interference with single photons. Physical review letters.
2016 Nov 23;117(22):223601.
CONTACT
Prof. Serge Massar ([email protected]), Dr. Stéphane Clemmen ([email protected]), Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA Campus de la plaine, NO7.107, Laboratoire d’information quantique
16
Peignes de fréquences dans un résonateur optique fibré en « double
anneau »
Nature du travail : travail expérimental et numérique.
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Mots clés : résonateurs optiques ; dynamique non linéaire ; conversion de fréquence
MOTIVATION
Les peignes de fréquences sont des sources optiques composées d’une série discrète de composantes spectrales équidistantes. Elles peuvent être utilisées comme « règle optique » permettant la mesure très précise de fréquences inconnues [1]. Cette nouvelle technique de métrologie optique a eu un impact important sur de nombreuses disciplines et leurs inventeurs ont été récompensés par un prix Nobel en 2005. Initialement générés par des lasers à blocage de mode, une approche révolutionnaire a vu le jour en 2007 [2], quand un laser continu a été transformé en un peigne de fréquence à l’aide d’un résonateur optique en silice dont la taille est inférieure au diamètre d’un cheveu ! Peu compris initialement il est maintenant connu que ces peignes sont induits par un processus appelé « instabilité de modulation » et que la dynamique est intrinsèquement liée à la formation de structures temporellement modulées dans les résonateurs macroscopiques [3]. Très récemment, une architecture en double anneau a montré que des peines pouvaient être obtenus efficacement [4] et également dans des régimes où ils ne peuvent exister dans un résonateur simple [5].
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Les premières démonstrations expérimentales dans les cavités doubles ont été réalisées avec des structures intégrées, moins flexibles que leur équivalent en fibres optiques. Nous proposons de réaliser et d’investiguer expérimentalement un résonateur fibré en double anneau similaire à celui de la figure ci-contre [5]. Cette configuration expérimentale nécessite le contrôle et la stabilisation de la double cavité, ce qui est tout-à-fait inédit dans le domaine des cavités fibrées. Le travail comportera également un volet numérique pour déterminer les paramètres adéquats du résonateur et pour la confrontation entre les résultats expérimentaux et les modèles théoriques existants.
REFERENCES
[1] Optical frequency metrology, T. Udem, R. Holzwarth, and T.W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002)
[2] Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator, P. Del/’Haye, A.
Schliesser, O. Arcizet, T. Wilken, R. Holzwarth, and T.J. Kippenberg, Nature 450, 1214 (2007)
[3] 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).
[4] Tunable Frequency Combs Based on Dual Microring Resonators S.A. Miller et al., Opt.
Express 23 , 21527 (2015).
[5] Normal-Dispersion Microcombs Enabled by Controllable Mode Interactions, X. Xue et al., Laser & Photonics
Reviews 9 , L23‐28 (2015)
CONTACT
Prof. Simon-Pierre Gorza ([email protected]), Tel. 02 650 28 01
François Leo ([email protected]), Tel. 02 650 44 94
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA
17
Étude théorique des structures dissipatives dans un résonateur optique
nonlinéaire : analyse de l’impact de la dispersion chromatique du quatrième
ordre
Nature du travail : travail théorique analytique et numérique.
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique, master en mathématique
Collaboration : Mustapha Tlidi. Faculté des sciences
Mots clés : cavités optiques ; dynamique non linéaire ; structures dissipatives ; bifurcations.
MOTIVATION
L’apparition spontanée de structures modulées stables est un phénomène
courant dans la nature. On en observe par exemple sur le pelage des
animaux (zèbre, guépard, ...), dans les dunes des déserts, dans la végétation
et dans les réactions chimiques (voir panel A de la figure ci-contre). Baptisées
structures dissipatives par le prix Nobel Ilya Prigogine dans le cadre de ses
travaux pionniers, elles peuvent occuper tout le système (pattern) ou être
localisées temporelle ou spatialement (soliton).
Leur apparition est due à un double équilibre entre non-linéarité et couplage
spatial (diffusion, dispersion ou diffraction) d’un côté et, pertes et gains de
l’autre côté. Deux exemples schématiques de ces structures se trouve sur la
figure ci-contre. En optique, ces structures se manifestent par exemple par
une modulation spontanée d’une onde continue dans un résonateur. Le
service OPERA-photonique a réalisé la première étude expérimentale de
structures dissipatives localisées dans un résonateur fibré [3].
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Le but principal de ce travail est d'étudier les effets de la dispersion chromatique de quatrième ordre sur les structures
dissipatives dans une cavité optique Kerr, comme par exemple dans une cavité fibrée. Dans ce but nous utiliserons le
modèle de Lugiato-Lefever qui décrit les cavités fibrées opérées proche du zéro de dispersion [4]. Le projet sera
principalement centré sur l'étude des structures localisées prédites par le modèle de Lugiato-Lefever. Afin d’analyser
cette équation, des méthodes numériques avancées ainsi que des méthodes analytiques seront utilisés.
REFERENCES
[1] Self-organization in nonequilibrium systems. Grégoire Nicolis and Ilya Prigogine. Wiley, New York (1977)
[2] Pattern formation outside of equilibrium, M.C. Cross and P.C. Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993).
[3] Temporal cavity solitons in one-dimensional Kerr media as bits in an all-optical buffer, F. Leo, et al., Nat. Phot. 4,
(2010).
[4] High-order dispersion stabilizes dark dissipative solitons in all-fiber cavities, M. Tlidi and L. Gelens, Op. Lett, 35, 3
(2010).
CONTACT
Prof. Marc Haelterman ([email protected]), Tel. 02 650 28 02
Pedro Parra-Rivas ([email protected]), Tel. 02 650 32 35
Prof. Simon-Pierre Gorza ([email protected]), Tel. 02 650 28 01
François Leo ([email protected]), Tel. 02 650 27 41
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A, Service OPERA
18
Design and implementation of an optical sensing system for neuronal activity
using light scattering
Nature of work: Practical experimentation
Students concerned: Physics, biomedical, EM, EIT
Collaboration: Synergia Medical, Catholic University of Louvain (UCL)
Key words: Action potential, birefringence; light scattering.
MOTIVATION AND DESCRIPTION
This master thesis is part of a large-scale project led by Synergia Medical on the development of an optoelectronic neurostimulator. Neurostimulation is one of the fastest-growing areas of medicine that has been approved for the treatment of several debilitating conditions, including epilepsy, chronic pain and Parkinson’s disorders. The monitoring of nerve activity, which can be used as a marker for these disorders, has grown in importance. Traditional nerve monitoring, using metallic leads and electrodes, has the major drawback of being incompatible with magnetic resonance imaging (MRI), since the leads pick up the magnetic field and heat up. An alternative approach is the optical recording, crossing technological barriers because of its compatibility with MRI.
OBJECTIVE
The main objective of the master thesis is to design and build and experiment for the optical measurement of the action potential in the nerve, through either a change of the birefringence (polarization dependence of the refractive index in a medium) and/or a change in the scattered (forward dispersion) light. The experiment will be conducted in vivo on worm, under the supervision of Joaquin Cury, a PhD student working on this project. The prototype will be evaluated in terms of performances and limitations in order to assess its potentialities in the framework of the overall project.
REFERENCES
[1] Light scattering and birefringence changes during nerve activity, COHEN, Laurence B.; KEYNES, R. D.;
HILLE, Bertil.. Nature, 1968, vol. 218, no 5140, p. 438
[2] Changes in axon birefringence during the action potential, COHEN, L. B.; HILLE, B.; KEYNES, R. D..
The Journal of physiology, 1970, vol. 211, no 2, p. 495-515.
[3] Simultaneous birefringence and scattered light measurements reveal anatomical features in isolated
crustacean nerve, CARTER, Kathleen M.; GEORGE, John S.; RECTOR, David M.; Journal of neuroscience
methods, 2004, vol. 135, no 1-2, p. 9-16.
CONTACT
Simon-Pierre Gorza ([email protected]), Antoine Nonclercq ([email protected]), Joaquín Cury
([email protected]), Pascal Doguet ([email protected]), Marie Dautrebande
([email protected], Riëm El Tahry ([email protected])
19
Etude expérimentale de structures dissipatives dans une cavité fibrée
Nature du travail : travail expérimental et numérique.
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien, master en science physique
Collaboration : Mustapha Tlidi. Faculté des sciences
Mots clés : résonateurs optiques ; dynamique non linéaire ; conversion de fréquences
MOTIVATION
Depuis leur découverte, les systèmes dissipatifs non linéaires, de par leur caractère universel, sont beaucoup étudiés par les chercheurs [1]. Les travaux pionniers du prix Nobel de l’ULB Ilya Prigogine dans ce domaine ont mis en évidence l’apparition spontanée de solutions modulées stables dans un réacteur chimique, baptisées « structures dissipatives » (voir [2] et figure ci-contre). En optique, ces structures se manifestent par exemple par une modulation spontanée de l’intensité de la lumière dans un résonateur. Il en résulte la génération d’un train d’impulsions optiques ultra courtes. Certaines structures dissipatives optiques ont été mises en évidence pour la première fois au service OPERA-photonique [3,4]. Néanmoins, d’autres solutions non linéaires, pourtant prédites il y a plus de 20 ans [5], éludent encore l’expérience.
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Le but de ce travail est la première mise en évidence expérimentale de solutions non linéaires modulées dans un résonateur optique à non-linéarité du troisième ordre, excité en anti-résonance. Le projet sera centré sur la conception et la mise en œuvre expérimentale d’une cavité fibrée, et sur l’observation des solutions dissipatives. Le «challenge» principal consiste en l’implémentation d’un système de stabilisation active de la cavité permettant de contrôler et de maintenir le désaccord de phase proche de la condition d’antirésonance de la cavité. En parallèle, une étude numérique des solutions recherchées permettra d’identifier les paramètres expérimentaux optimaux permettant leur mise en évidence.
REFERENCES
[1] Pattern formation outside of equilibrium, M.C. Cross and P.C. Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851
(1993).
[2] Self-organization in nonequilibrium systems. Grégoire Nicolis and Ilya Prigogine. Wiley, New York, 1977.
[3] Continuous-wave ultrahigh-repetition-rate pulse-train generation through modulational instability in a
passive fiber cavity , S. Coen and M. Haelterman, Opt. Lett. 26, 39 (2001).
[4] Continuous-wave ultrahigh-repetition-rate pulse-train generation through modulational instability in a
passive fiber cavity, F. Leo, S. Coen, P. Kockaert, S.-P. Gorza, P. Emplit, and M. Haelterman, Nat. Phot. 4,
471 (2010)
[5] Ikeda instability and transverse effects in nonlinear ring resonators, M. Haelterman, Optics
Communications 100, 389 (1993).
CONTACT
Prof. Simon-Pierre Gorza ([email protected]), Tel. 02 650 28 01
Prof. Marc HAELTERMAN ([email protected]), Tél. 02 650 282
François Leo ([email protected]), Tel. 02 650 44 94
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA
20
Réalisation d’un spectromètre imageur par spectroscopie hétérodyne
spatiale
Nature du travail : travail expérimental et numérique.
Etudiants concernés : ingénieur civil physicien
Collaboration : Lambda-X SA (www.lambda-x.com)
Mots clés : imagerie hyperspectrale; spectromètre à transformée de Fourier ; spectromètre imageur
MOTIVATION ET DESCRIPTION
L’imagerie hyperspectrale consiste à acquérir des images avec une information spectrale à haute résolution pour chaque pixel [1]. Le nombre d’applications explose notamment pour l’observation de la Terre. L’information recherchée est donc tri-dimensionnelle, deux directions spatiales et une direction spectrale. Comme les senseurs ne sont que bi-dimensionnels, une solution courante est d’enregistrer une image uni-dimensionnelle et une information spectrale dans l’autre direction du senseur. Cette dernière est obtenue par exemple à l’aide d’un réseau de diffraction. Ce type d’instrument est monté à bord d’un satellite ou d’un avion, comme illustré sur la figure. Par ailleurs, la spectroscopie à transformée de Fourier est une
technique interférométrique permettant de mesurer des spectres
avec une très grande résolution et un bon rapport signal sur bruit.
Cependant, elle nécessite dans son implémentation courante, le
déplacement d’un miroir. Ceci est problématique lorsque l’objet
à caractériser n’est pas statique, par exemple si l’instrument est
monté à bord d’un satellite. La spectroscopie hétérodyne spatiale est une technique dérivée de la spectroscopie à
transformée de Fourier qui ne nécessite aucune partie mobile [2-3]. Ceci offre de nombreux avantages. (i) Le
spectromètre est naturellement très robuste. (2) Chaque image brute donne une image hyperspectrale uni-
dimensionnelle. (3) Cette méthode permet une meilleure collection de la lumière. En d’autres termes, elle offre la
possibilité d’intégrer la spectroscopie à transformée de Fourier dans un instrument destiné à l’observation de la Terre
par exemple.
OBJECTIFS DU MEMOIRE
Le travail proposé consiste en la réalisation d’un prototype de spectroscope imageur hétérodyne spatial dans le but d’identifier les avantages de cette technique mais aussi les difficultés de mise en œuvre. Le travail sera réaliséen collaboration avec Lambda-X, PME basée à Nivelles, qui développe des instruments optiques de métrologie ou pour des applications spatiales. L’intérêt de Lambda-X est l’évaluation des performances et des contraintes de la solution proposée par rapport à des solutions plus classiques en vue d’une intégration éventuelle dans ses instruments
d’optique.
REFERENCES
[1] http://www.markelowitz.com/Hyperspectral.html
[2] Concerning the Spatial Heterodyne Spectrometer, Matthias Lenzner and Jean-Claude Diels, Optics express Vol.
24, No. 2 pp 1829 (2016).
[3] SHIMMER: a spatial heterodyne spectrometer for remote sensing of Earth’s middle atmosphere, John M.
Harlander, et al., Applied Optics Vol. 41, No. 7 pp.1343 (2002).
[4] Spatial heterodyne spectroscopy for the exploration of diffuse interstellar emission lines at far-ultraviolet
wavelengths, John M. Harlander, et al., Astrophysical Journal, vol. 396, no. 2, Sept. 10, 1992, p. 730-740.
[5] Experimental results from an airborne static Fourier transform imaging spectrometer, Yann Ferrec et al., pplied
Optics Vol. 50, No. 30, pp. 5894 (2011).
CONTACT
Prof. Simon-Pierre Gorza ([email protected]), Tel. 02 650 28 01
Dr. Philippe Antoine ([email protected])
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 3, local C3.122A , Service OPERA
21
Wireless positioning for the Internet-of-Things
Information: Philippe De Doncker, François Horlin
Students: ELEC, PHYS
Type: Theoretical and/or experimental
Collaboration: Université Paris VI - can be combined with an internship
MOTIVATION
The Internet of Things (IoT) is currently being deployed by all major network providers, worldwide. In Belgium, for instance, Proximus is implementing the Lora IoT technology to complement its 4G network. The ultimate goal of the IoT is to connect billions of devices wirelessly. These devices must be located in order to insure geolocated services. But their limited resources in terms of bandwidth and energy consumption is a major bottleneck that must be overcome for accurate positioning.
OBJECTIVES
The objective of this work is to develop a localization system that complements the IoT communications
functionality:
• Angle-of-Arrival estimation is a promising technology for narrowband localization. We propose to implement an algorithm to estimate simultaneously the azimuthal and elevation angles of an incoming signal, and to exploit signal power measurement to improve the localization accuracy of a connected object.
• Multipaths and shadowing must be taken into account to mitigate positioning errors. We propose to study the physical indoor channel in order to identify specular reflections via ad-hoc simulations and to exploit these information to strengthen the estimation of Angles-of-Arrival. The results will be experimentally verified on software defined radios.
Up to two students can work on the project. The work is organized in close collaboration with Université
Paris VI where an internship can be done.
CONTACT
Philippe De Doncker, [email protected], 02-650 3091 François Horlin, [email protected], 02-650 6741
22
Hacking smartphone for measuring cellular network quality
Information: Philippe De Doncker, Sullivan Derenne
Students: ELEC, PHYS, INFO
MOTIVATION
Wireless technologies are now part of everyday life and it is often crucial to be connected everywhere and
almost permanently. The continuous increase in use and the demand for an ever-better quality of service
have made necessary for networks to evolve and improve performance especially for indoor scenario.
In the context of a Spin-off development at the OPERA Lab, there are several technical challenges in
measuring the quality of cellular networks.
An Android App has already been developed for the project. This App can connect to any Belgian operator
and to main technologies as 2G, 3G and 4G and measure and record all available channels in the
neighbourhood. However, because of Android, the App has some limitations. The goal of the project is to
communicate directly with the phone modem through AT commands and evaluate the difficulty to deploy on
different smartphones. AT commands are instructions used to control modem and are well described in
3GPP International standards for cellular technologies.
OBJECTIVES
In this project, the student will design an App able to communicate through AT commands with the modem
and go as deeper as possible with controlling it. A recent Android smartphone will be furnished and the help
with AT command is available in international ETSI standards.
CONTACT
Philippe De Doncker, [email protected]
Sullivan Derenne, [email protected]
23
Large-scale distributed measures of cellular network quality
Information: Philippe De Doncker, Sullivan Derenne
Students: ELEC, PHYS, INFO
MOTIVATION
Wireless technologies are now part of everyday life and it is often crucial to be connected everywhere and
almost permanently. The continuous increase in use and the demand for an ever-better quality of service
have made necessary for networks to evolve and improve performance especially for indoor scenario.
In the context of a Spin-off development at the OPERA Lab, there are several technical challenges in
measuring the quality of cellular networks.
An Android App has already been developed for the project. This App can connect to any Belgian operator
and to main technologies as 2G, 3G and 4G to measure and record all available channels in the
neighbourhood. The next step is deployment of several sensors in buildings to extract long-term statistics
from the collected data.
OBJECTIVES
In this project, the student will first proceed to different measurement campaigns to collect data. He will then
analyse data with, for example, geostatistical methods to evaluate the network coverage and quality of
service. The second objective will be the mapping of results to find problematic areas and provide best
location for solutions (as for example small cell antennas). Finally, some upgrades of Android App will be
considered.
CONTACT
Philippe De Doncker, [email protected]
Sullivan Derenne, [email protected]
24
User terminal positioning in 5G wireless networks
Information: François Horlin, Philippe De Doncker, Mathieu Van Eeckhaute
Students: ELEC, PHYS
Type: Theoretical and/or experimental
MOTIVATION
Cellular networks have continuously evolved to become one of the main blocks of our ICT all-pervasive
world. The first 2G systems, like GSM, were dedicated to voice communications. Data communications with
low-to-medium bit rates were included in 3G, while 4G now offers data rates similar to those experienced
with Wi-Fi. But the demand for high performance cellular networks is still increasing, due on the one hand
to the explosion of the number and variety of connected devices, and on the other hand to the ever-growing
capacity requirements. 5G cellular networks are developed to meet this evolution. Especially new
modulation formats characterized by a better spectrum confinement than the orthogonal frequency-division
multiplexing (OFDM) modulation used today in 4G are considered to better cope with the multiple access
issue critical in 5G networks.
In parallel, cellular networks have also evolved towards geo-located services. The user equipments (UE)
can now be localized based on their communications with the cellular base stations. In 4G, a positioning
reference signal (PRS) is included in the protocol to support the device positioning based on the estimation
of the signal time-of-flight (ToF) to the base stations. To make 5G localization valuable, a high accuracy is
required, even in more critical indoor or urban outdoor environments, where multipath propagation strongly
degrades the performance of traditional ToF-based techniques.
The objective of this work is to develop a localization system that complements the 5G communications
functionality and delivers a high position accuracy even in complex environments.
OBJECTIVES
• Understand the modulation formats foreseen for emerging 5G communications systems
• Design positioning algorithms for 5G networks, taking their specificities into account (new reference signals)
• Assess the positioning accuracy/precision as a function of main system parameters (bandwidth, base station positions…)
• Address complex urban or indoor multipath environments
• Demonstrate the system real-life by using new software defined radio (SDR) electronic platforms
Up to two students can work on the project (one working on the functionality and the other working on the
real-life demonstration). It is organized in close collaboration with the IMEC research center (Leuven,
Belgium), considered as a major actor in the fields micro-electronics and nano-technologies and with
Proximus.
CONTACT
François Horlin, [email protected], 02-650 6741 Philippe De Doncker, [email protected], 02-650 3091 Solbosch campus, building U, level. 3, OPERA department
25
Massive MIMO for 5G wireless networks
Information: François Horlin, Philippe De Doncker, Hien-Trung Nguyen
Students: ELEC, PHYS
Type: Theoretical and/or experimental
MOTIVATION
The MIMO, Multiple-Input Multiple Output, technology relies on multiple antennas to simultaneously transmit
multiple streams of data in wireless communication systems. It has been successfully integrated in a series
of well-known communication systems, such as the LTE-A fourth generation (4G) cellular system and IEEE
802.11n wireless LAN system. It is also considered as a promising key technology for future wireless
systems of the fifth generation (5G). Unlike the traditional small-scale MIMO (e.g., at most 8 antennas in
LTE-A), large-scale MIMO, which equips a very large number of antennas (e.g., 64 antennas or even more)
at the base station (BS) to simultaneously serve multiple users, is proposed. It has been theoretically proved
that large-scale MIMO can achieve orders of simultaneous increase in spectrum and energy efficiencies.
Massive-MIMO system exploits channel knowledge in order to precode (in downlink) or decode (in uplink)
the user data. The channel is estimated from uplink pilots sent by the users. It has been shown that, for
massive MIMO systems, low complexity linear precoding and detection can achieve performance very close
to the channel capacity for the downlink and uplink respectively. When the signal is precoded or decoded
with large number of antennas, energy is focused with extreme sharpness into small regions in space. The
underlying physics is coherent superposition of wavefronts. By appropriately shaping the signals sent out
by the antennas, the base station can make sure that all wave fronts collectively emitted by all antennas
add up constructively at the locations of the intended terminals, but destructively (randomly) almost
everywhere else.
The objective of this work is to assess and demonstrate the spatial focalization property obtained thanks to
the massive MIMO technology.
OBJECTIVES
• Design massive-MIMO precoders/decoders compatible with 5G modulation formats
• Demonstrate the power focalisation property by using simplified channel models of the environment (ideal channel, ray tracing)
• Investigate the impact of system impaiments (channel estimation error, hardware imperfections…)
• Design strategies to interpolate the precoder over the space and follow therefore the terminal trajectory
• Demonstrate a time-reversal implementation of the massive-MIMO technology real-life by using new software defined radio (SDR) electronic platforms
Up to two students can work on the project (one working on the functionality and the other working on the
real-life demonstration).
CONTACT
François Horlin, [email protected], 02-650 6741 Philippe De Doncker, [email protected], 02-650 3091 Solbosch campus, building U, level. 3, OPERA department
26
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 contribute 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
[D. Van Eester and K. Crombé, Phys. Plasmas 22 (2015) 122505]
CONTACT
Prof. Yves Louis ([email protected]), Tel. 02 650 28 22
Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 4, local C4.320 , Service OPERA
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Improvement of wave equation solvers in hot magnetised plasmas
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
Modelling radio frequency wave propagation and damping in high density, hot, magnetised plasmas
requires accounting for kinetic effects. Dedicated antennas positioned in the low density, low temperature edge region excite fast magneto-sonic waves which tunnel through the evanescence near the plasma edge and penetrate the high density core, dumping their power through collisionless damping processes (cyclotron heating for the ions and Cerenkov damping for the electrons). The relevant wave equation is integro-differential in nature. Efforts are ongoing to devise wave equation solvers that are both realistic and fast.
Whereas retaining the wave-particle interaction in all detail yields wave equation solvers that require thousands of hours of computing time, the present thesis contributes to exploring roads to speed up the computation by performing some of the required computations analytically rather than numerically.
REFERENCES
[D. Van Eester and E. A. Lerche, Plasma Phys. Control. Fusion 55 (2013) 055008] [E.F. Jaeger et al., Nuclear Fusion 33 (1993) 179] [D. G. Swanson (1989) Plasma Waves, New York: Academic]
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Campus du Solbosch, Bât. C, niv. 4, local C4.320 , Service OPERA
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