Laboratoire de manipulation ultrarapide de faisceaux lumineux

Le Laboratoire de manipulation ultrarapide de faisceaux lumineux est une infrastructure de recherche en photonique se composant principalement de systèmes lasers. Il permet la réalisation d’expériences scientifiques dans des disciplines telles que l'optique quantique, la métrologie, la nanophotonique et la biophotonique, la science térahertz (THz) et, bien sûr, l'optique non linéaire utilisant des composants et des dispositifs optiques en espace libre, en fibre et intégrés.

Illustration de la puce optique intégrée développée à l’INRS par l’équipe du professeur Roberto Morandotti

Crédit : Christian Fleury

Le Laboratoire de manipulation ultrarapide de faisceaux lumineux permet d’approfondir les connaissances essentielles aux communications optiques, comme la dynamique des impulsions optiques ultrabrèves ayant lieu dans des conditions de dispersion et de diffraction différentes. Le Laboratoire rend possible la réalisation de travaux ayant pour objectif d’innover dans la façon de traiter, de manipuler et de contrôler les signaux optiques. Les systèmes lasers s’avèrent donc essentiels pour tester les fibres et les sous-systèmes intégrés pour le traitement ultrabref d’impulsions optiques.

Les progrès remarquables récents dans la génération, le traitement et la manipulation d’impulsions de lumière ultracourtes ont considérablement accéléré l’utilisation et la diffusion de techniques ultrarapides tout optiques dans de nombreux domaines de la physique, de la chimie, de la biologie, du traitement des matériaux, du génie biomédical, etc. 

Ces techniques sont également d’une extrême importance pour le développement des réseaux de télécommunications et de traitement de l’information à ultra-haut débit de prochaine génération et ils devraient constituer la base des futurs systèmes informatiques ultrarapides. 

Avec toutes ces applications vient le besoin d’un meilleur contrôle des impulsions lumineuses ultracourtes (du régime femtoseconde au régime nanoseconde) pour les adapter aux besoins de fonctionnalités de plus en plus spécifiques.

Le Laboratoire de manipulation ultrarapide de faisceaux lumineux fait partie d’une infrastructure en accès libre opérationnel du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS. Il dispose d’équipements fondamentaux pour les lignes de recherche actuelles.

 

Système de détecteur de photons unique supraconducteur à nanofils

Ce système comprend les détecteurs couplés à fibre optique et l’électronique temps-numérique nécessaire à la détection à haute efficacité (> 80%) de photons uniques dans la bande infrarouge (optimisée pour 1550 nm). Le faible temps mort du système de 100-20 ns permet la mesure d’un taux de comptage de photons maximal de 10 MHz (avec un jitter de 80 ps). Le taux de photons de fond dans le système sont inférieurs à 1 000 comptes / seconde.


Synthétiseur de fréquence optique référencé au rubidium

Ce système comprend un laser à fibre femtoseconde avec un actionneur intégré pour régler la fréquence de décalage de l’enveloppe porteuse de la source, un amplificateur à fibre dopée à l’erbium, une fibre hautement non linéaire pour l’élargissement spectral, un interféromètre f-2f non linéaire basé sur une fibre-guide d’onde couplé et l’électronique de verrouillage nécessaire pour stabiliser le taux de répétition du laser et la fréquence de l’enveloppe porteuse. La source est référencée à un étalon de fréquence Rubidium 10 MHz.


Interféromètres à fibre personnalisés

Cette plateforme composée d’interféromètres à fibre optique et d’un laser de référence requis pour récupérer, modifier et stabiliser la phase interférométrique. La plate-forme permet des déviations <1.3×10-3  rad sur des temps d’intégration de 1 ms à 1,2 h pour toutes les phases testées, avec une indépendance de phase de cette stabilité sur toute la plage de 2 (donnant accès à des réglages de phase arbitraires).


Système laser ultrarapide amplifié (Newport Spectra Physics)

Cette plateforme se compose de quatre blocs fondamentaux. L’ensemble du système est alimenté par un oscillateur laser (Mai Tai®) fonctionnant à une longueur d’onde de 800 nm, avec un taux de répétition de 80 MHz, une durée d’impulsion de 120 fs et une puissance moyenne de 3 W (énergie d’impulsion ~ 37 nJ). Cette ligne de faisceau est utilisée pour alimenter à la fois un amplificateur régénératif et un oscillateur paramétrique optique. L’amplificateur régénératif (Spitfire Pro®) fournit un faisceau de train pulsé amplifié à une longueur d’onde de 800 nm, avec un taux de répétition de 1 kHz, une durée d’impulsion de 150 fs et une puissance moyenne de 2 W (énergie d’impulsion de 2 mJ). L’oscillateur paramétrique optique (Opal®) fournit un faisceau pulsé à un taux de répétition de 80 MHz, avec une durée d’impulsion de 200 fs et une puissance moyenne de 200 mW. Les longueurs d’onde générées couvrent la gamme proche et moyen infrarouge (1,1 – 1,6 μm pour le signal et 1,6 – 2,2 μm pour l’idler).

Enfin, l’amplificateur régénératif alimente à son tour un amplificateur optique paramétrique (OPA-800C®) qui génère jusqu’à quatre sorties de ligne de faisceau: (i) signal (durée d’impulsion 160 fs, taux de répétition 1 kHz, puissance moyenne 80 mW, longueur d’onde dans le 1,1 – 1,6 μm), (ii) idler (durée d’impulsion 160 fs, taux de répétition 1 kHz, puissance moyenne 80 mW, longueur d’onde dans la plage 1,6 – 2,2 μm), ainsi que (iii-iv) les secondes harmoniques du signal et de l’idler.


Monochromateur haute résolution (Oriel® CS260 ™, Spectra Physics)

Cet équipement est composé de trois réseaux réglés couvrant la gamme spectrale de 200 à 1350 nm, et utilisé pour calibrer à la fois l’oscillateur paramétrique optique et les blocs d’amplification paramétrique optique de (4), ainsi que pour l’étude de la nouvelle génération de couleurs dans des expériences non linéaires (processus de conversion optique haut / bas).


Amplificateurs à verrouillage (Standford Research System)

Ces systèmes, à savoir SR810 (canal unique, bande passante 102 kHz), SR830 (deux canaux, bande passante 102 kHz) et SR844 (deux canaux, bande passante 200 MHz), sont utilisés pour effectuer des techniques de détection sensibles à la phase dans une pompe-sonde optique et des expériences de spectroscopie THz. Un tel schéma de détection consiste à isoler et à récupérer la seule composante du signal à une fréquence et une phase de référence spécifiques, tandis que les signaux de bruit à des composantes de fréquence autres que la fréquence de référence sont rejetés.


Caméra IRXCAM-THz-384 (INO)

Cet appareil utilise des détecteurs de type microbolomètres non refroidis de pointe pour l’imagerie dans la gamme térahertz. Un détecteur matriciel de 384 × 288 pixels est combiné à un objectif THz personnalisé pour produire des images haute résolution / haute sensibilité.


Composants intégrés : Résonateurs en forme d’anneaux intégrés à haut facteur de qualité

Ces résonateurs de type SiON compatibles CMOS présentent des facteurs de qualité Q> 106 et des FSR de 20 à 200 GHz. Ils sont caractérisés par des pertes de propagation optique non-linéaire négligeables (paramètre non linéaire γ ~ 220 W-1 km-1), ce qui permet d’accéder à des processus non linéaires tels que le mélange à quatre ondes sur l’échelle de temps femtoseconde, permettant un traitement potentiel au Tbit / s débits de données. Guides d’onde en spirale intégrés. Guides d’ondes spirales de type SiON sur puce avec confinement modal serré et longues distances de propagation (jusqu’à 1 m) qui permettent la génération de processus non linéaires du troisième ordre avec un encombrement système réduit et de faibles pertes. Les microrésonateurs et les guides d’ondes non linéaires avec de telles caractéristiques ne sont actuellement disponibles que pour une poignée de groupes de recherche dans le monde. Ligne à délai intégrée. Une ligne unique de partage et de retard de type SiON, qui utilise une chaîne d’interféromètres Mach-Zehnder qui peuvent être contrôlés individuellement pour adapter la phase et l’amplitude du signal d’entrée, à un taux de répétition plus rapide que celui qui peut être obtenu avec des générateurs de signaux arbitraires, c’est-à-dire dans le Régime THz et supérieur.


Électronique: Agilent DSO-X 92804A

Cet oscilloscope à large bande passante (28 GHz, 80 GS / s) avec 4 canaux indépendants permet des mesures en temps réel de signaux rapides à travers des photodiodes rapides (jusqu’à 100 GHz, également disponibles dans l’infrastructure. Cet oscilloscope peut être référencé à une horloge atomique (norme micro-ondes) et permet d’enregistrer des signaux via des normes industrielles telles qu’Ethernet et USB. Anritsu M3695B Générateur de signaux radiofréquence / micro-ondes. Ce générateur de fréquence peut produire des formes d’onde sinusoïdales jusqu’à 50 GHz avec une résolution de fréquence très élevée (0,01 Hz). Ce dispositif permet la modulation d’amplitude et de phase, toutes deux très pertinentes pour la mise en œuvre d’applications de télécommunications. De plus, le générateur de signaux peut également piloter directement tous les modulateurs (phase et amplitude) disponibles pour le laboratoire (jusqu’à 40 GHz).

Enfin, cet équipement peut être référencé à une norme micro-ondes et interfacé via un bus d’interface à usage général (GPIB).

 

Générateur de signaux arbitraires Tektronix 7122C

Cet instrument permet la génération de signaux à large bande arbitraires jusqu’à 9,6 GHz et offre une résolution binaire élevée de 10 bits et des taux d’échantillonnage jusqu’à 24 GS / s. L’appareil propose deux sorties indépendantes et des formes d’onde peuvent être générées manuellement ainsi qu’à partir d’une autre interface informatique, via GPIB. L’équipement dispose également d’une entrée de référence pour une norme micro-ondes.

Le Laboratoire de manipulation ultrarapide de faisceaux lumineux est à la disposition du corps professoral, de la clientèle étudiante et du personnel du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS pour la conduite de leurs projets de recherche avec l’accord de la responsable du laboratoire.

Il est également possible d’utiliser nos ressources dans le cadre de collaborations externes ou de contrats de recherche et développement.

L’installation facture toute expérience de laboratoire (par exemple, la caractérisation quantique de systèmes intégrés ou la spectroscopie térahertz). Conformément à la politique adoptée par le Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS à Varennes, les frais d’utilisation couvrent les coûts d’exploitation et de maintenance des installations.

Une description générale des sujets de recherche du groupe est donnée sur le site Web du laboratoire.

En particulier, les projets en cours visent diverses applications : 

  • le développement d’une plateforme robuste, stable et à faible coût pour la génération et le contrôle d’états de lumière non classiques complexes, afin d’accéder à des capacités d’encodage de grande dimension pour un traitement avancé de l’information quantique, tout en exploitant une infrastructure intégrée et de télécommunications standard;
  • l’utilisation du traitement optique analogique pour le développement de dispositifs photoniques intelligents, y compris un nouveau type de plate-forme de calcul de type réservoir optique compact et économe en énergie utilisant la dynamique non linéaire des peignes de fréquence de microrésonateur, capables de traiter des données à la vitesse de la lumière;
  • le développement d’un nouveau système térahertz ultrasensible multi-gaz compact, utilisant une seule surface de détection pour détecter en temps réel et quantifier plusieurs gaz;
  • le développement d’une nouvelle technique d’imagerie thermique biologique, non invasive et à haute sensibilité, exploitant la forte interaction entre le rayonnement térahertz et l’eau, établissant ainsi une corrélation térahertz-température, qui permet à terme de cartographier la répartition de la chaleur dans un milieu organique tel que les tissus vivants et la mise en place d’un thermomètre térahertz.

Les demandes de financement actuelles visent à: 

  • Améliorer les capacités de détection des détecteurs à photon unique; 
  • Développer de sources de photons intriqués en utilisant les propriétés uniques des métasurfaces diélectriques; 
  • Démontrer une opération de traitement quantique avancé pratique et accessible par le biais de réseaux de télécommunications standard; 
  • Développer une plateforme de réseau de neurones optiques à haute vitesse pour une application dans la reconnaissance vocale et réaliser un système de traitement de signal entièrement optique basé sur l’IA par le biais de composants de fibres standard.

L’infrastructure a été financée par onze subventions du Conseil de recherche en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG) dans le cadre du programme OIR, et deux subventions de la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI).

Personnes-ressources

Roberto Morandotti
Professeur et responsable scientifique
Téléphone : 514 228-6924
Courriel : morandotti@emt.inrs.ca

Laboratoire de manipulation ultrarapide de faisceaux lumineux

Institut national de la recherche scientifique

Centre Énergie Matériaux Télécommunications

1650, boulevard Lionel-Boulet

Varennes (Québec)  J3X 1S2

CANADA

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