Survol du programme de recherche de la CERC en nanophotonique et en optique quantique non linéaire (photonique quantique) de l’Université d’Ottawa

Notre objectif est d’assembler une équipe de recherche prête à effectuer de la recherche de calibre mondial dans les domaines connexes de la photonique quantique, de l’optique quantique non linéaire, et de la nanophotonique. Cette équipe sera composée de quatre membres du corps professoral, d’associés de recherche, de stagiaires postdoctoraux, d’associés techniques, d’étudiants diplômés, et d’étudiants de premier cycle.

Notre recherche vise à exploiter les progrès récents en optique non linéaire et en optique quantique. Le domaine de l’optique quantique non linéaire (OQNL) se situe à l’intersection de la physique fondamentale, de la physique appliquée et du génie électrique. L’optique non linéaire étudie les situations dans lesquelles un faisceau lumineux peut modifier sa propagation en changeant les propriétés optiques du matériau qu’il traverse. Ces effets sont généralement associés à de la lumière intense, mais l’optique quantique non linéaire les pousse à un autre niveau en utilisant des interactions non linéaires pour contrôler une très faible lumière ne contenant que quelques photons, voire un seul photon. Les progrès récents en optique quantique non linéaire ont ouvert la porte à une grande variété de nouvelles avancées dans des domaines très variés tels que les télécommunications, la télédétection, la spectroscopie, l’imagerie, la conversion de l’énergie solaire, et l’informatique quantique. Des avancées importantes découleront sûrement de notre vigoureux programme de recherche  interdisciplinaire en OQNL.

Principaux projets de recherche en cours

Une partie de nos travaux vise l’élaboration de méthodes pour contrôler la vitesse à laquelle des impulsions lumineuses voyagent à travers différents systèmes de matériaux. Les débouchés pratiques de ces méthodes de « lumière lente » comprennent entre autres la conception de routeurs et de mémoires tampons pour la télécommunication optique et l’amplification des interactions optiques non linéaires. Par exemple,  dans le cadre de ce programme, nous concevrons un spectromètre miniaturisé, en mettant à profit la lumière lente, qui pourra fournir la même résolution spectrale que les grands spectromètres de laboratoires. Ce spectromètre sera construit à l’aide de méthodes de nanofabrication pour obtenir des structures à cristaux photoniques aux fortes propriétés permettant de ralentir la lumière.  Ce type de dispositifs a un impact énorme dans des domaines pratiques comme le diagnostic médical et la détection de menaces terroristes.

Un autre aspect de nos recherches comprend le développement de méthodes optiques pour l’informatique quantique. Notre approche est motivée par le fait que l’espace des états du degré de liberté transversal du photon est très grand. Par conséquent, de grandes quantités d’informations peuvent être transportées par un seul photon. Cela peut être exploité, en imagerie quantique par exemple, pour obtenir une superrésolution ou pour transmettre des images complètes avec seulement un petit nombre de photons. Un des principaux objectifs de notre recherche est la conception d’un système de cryptographie quantique dans lequel chaque photon transporte plusieurs bits d’information. En augmentant la quantité d’informations transportées par photon, nous pouvons augmenter considérablement les taux de transmission des systèmes de distribution quantique de clés.

 

Lumière lente et rapide

dispC fields vs ngLes amateurs de science-fiction ne cessent de s’interroger sur les conséquences de l’accélération de particules massives à des vitesses qui dépassent celle de la lumière dans le vide. Nous n’en sommes bien sûr pas encore capables, mais des travaux récents ont montré qu’il est possible de diminuer la vitesse de groupe de la lumière de plusieurs ordres de grandeur et même de trouver des situations dans lesquelles la vitesse de groupe est supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Les recherches de divers chercheurs, dont moi-même, ont montré qu’il est possible de ralentir la lumière à environ la vitesse d’une automobile. Ce ralentissement est dû à la forte dispersion de l’indice de réfraction qui se produit près des fréquences de résonance des vapeurs atomiques ou de certains solides cristallins. Notre équipe travaille également à la création de guides d’ondes à cristaux photoniques qui réduisent la vitesse de la lumière de façon semblable. L’intérêt de ce procédé est qu’il permettrait l’intégration de méthodes utilisant la lumière lente dans les plates-formes photoniques existantes, ce qui accroîtrait les fonctionnalités  des mémoires tampons et des routeurs, par exemple. Nous travaillons aussi à  la conception de spectromètres contenant des éléments de lumière lente. En théorie, de tels spectromètres peuvent avoir des dimensions de l’ordre du millimètre et être fabriqués sur une puce optique, tout en ayant la même résolution spectrale qu’un spectromètre de laboratoire.

 

Nanofabrication

waveguideLe programme de photonique à l’Université d’Ottawa, incluant ma CERC, s’est engagé à étudier les nanotechnologies, notamment en mettant sur pied un centre de nanofabrication dans le nouveau bâtiment dédié en partie à la photonique, le Complexe de recherche avancée. Ce centre contient tous les éléments de base d’une installation de nanofabrication moderne, y compris un masqueur électronique, une station de gravure au plasma, un aligneur de masque, et l’équipement diagnostic nécessaire tel qu’un microscope électronique à balayage, un ellipsomètre, un profilomètre, et divers systèmes de caractérisation de guides d’ondes. Ce centre de nanofabrication est crucial à l’élaboration des guides d’ondes et du spectromètre fonctionnant avec la lumière lente mentionnés plus haut. Nous sommes également intéressés à fabriquer des guides d’ondes structurés dont les propriétés visent l’amplification de la réponse optique non linéaire, ce qui pourrait conduire à des commutateurs optiques très efficaces. Nos guides d’ondes ont actuellement des pertes importantes, et nous tentons de résoudre ce problème à la fois en améliorant les procédés de fabrication et en concevant des modèles relativement insensibles aux pertes des guides d’ondes.

 

Plasmonique

LANous travaillons également sur l’utilisation de dispositifs plasmoniques en photonique, particulièrement sur ceux fonctionnant avec des plasmons polaritons de surface (PPS),soit des structures qui confinent la lumière dans des espaces beaucoup plus petits que sa longueur d’onde le long des interfaces métal-diélectrique. Ce confinement permet de placer plusieurs dispositifs photoniques dans un espace restreint, un élément clé des circuits photoniques hautement intégrés en développement.  De plus, en raison de ce confinement et des caractéristiques fortement non linéaires présentées par les métaux, les PPS produisent un grand décalage de phase non linéaire par unité de longueur de propagation. Celle-ci ne se fait malheureusement pas sans grandes pertes, mais notre collègue et collaborateur de l’Université d’Ottawa , Pierre Berini, a mis au point des techniques pour en augmenter considérablement la distance. Notre collaboration examinera les défis techniques survenant lors de la conception d’amplificateurs plasmoniques, de lasers, de modulateurs et de détecteurs potentiellement utiles au domaine des télécommunications ainsi qu’à des applications plus exotiques telles que des capteurs biochimiques identifiant la chiralité des molécules organiques. Les interactions photoniques non linéaires, avec lesquelles fonctionnent ces appareils, pourraient améliorer l’efficacité des commutateurs à l’échelle nanométrique, possibles  éléments de base de la prochaine génération de technologies de l’information et d’infrastructure de communication.

 

Communications sécurisées

cubeLa mécanique quantique a ouvert de nombreuses possibilités pour la conservation et le traitement de l’information qui surpassent ce que permettaient il y a quelques années les méthodes dites « classiques ». L’une des méthodes les plus développées est la communication sécurisée avec une distribution quantique de clés (DQC). Il s’agit de coder les données en utilisant une clé traditionnelle ou un « masque jetable ». Cette clé est transmise de l’émetteur au récepteur par des procédés de mécanique quantique qui garantissent que toute tentative d’interception du message modifie les propriétés quantiques des photons d’une manière facilement détectable par le récepteur. Les premières démonstrations de la DQC utilisaient la polarisation de la lumière pour encoder des informations sur un photon. Chaque photon ne pouvait donc transporter qu’un seul bit d’information. Nous travaillons sur un système différent qui utilise le moment angulaire orbital (MAO) des états de la lumière pour encoder l’information sur des photons individuels . En principe, puisque le nombre de MAO d’un photon est illimité, il n’y a pas de limite à la quantité d’information qui peut être transportée par un photon dans un système de DQC. Notre objectif premier est d’encoder huit bits d’information sur un photon en diffractant les photons individuels d’un hologramme généré par ordinateur et écrit sur un modulateur spatial de lumière. Nous étudions aussi les impacts potentiels de la turbulence atmosphérique sur la propagation de ces photons, dont une éventuelle dégradation du contenu de l’information.

 

Études fondamentales en photonique quantique

CBPour appuyer nos recherches sur les technologies quantiques, dont les communications optiques sécurisées, nous entreprenons une étude approfondie de certains aspects fondamentaux de la photonique quantique. Nos sujets à l’étude comprennent l’élaboration de procédés expérimentaux pour quantifier le degré d’intrication entre deux champs optiques et leur contenu d’information commun, l’utilisation de témoins d’intrication pour effectuer efficacement de telles mesures, la caractérisation des états quantiques à l’aide de la tomographie quantique, et des techniques pour la mesure directe de la fonction d’onde quantique. Nous sommes également très intéressés à améliorer les méthodes basées sur l’utilisation de photons intriqués et d’autres états quantiques de la lumière.