Thèse Ingénierie de Guides d'Ondes Périodiques pour la Photonique l'Optomécanique et l'Intégration Hybride H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Carlos ALONSO-RAMOS ORCID 0000000244455651 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-15T23:59:59 Ce projet porte sur l'ingénierie de guides d'ondes périodiques et nanostructurés pour la photonique intégrée, avec des applications couvrant les fonctions photoniques avancées, l'optomécanique et l'intégration hybride III-V/silicium.
Les guides d'ondes périodiques offrent de nombreux degrés de liberté pour contrôler la propagation de la lumière grâce à l'ingénierie des bandes, à l'ajustement de la dispersion et au confinement modal. Bien que largement étudiés en optomécanique, leur potentiel s'étend à la photonique au sens large, notamment pour le traitement du signal optique, l'amplification des effets non linéaires et le contrôle des interactions lumière-matière. La structuration sub-longueur d'onde permet d'élargir encore cet espace de conception en offrant une ingénierie du milieu effectif et un contrôle fin de l'impédance optique, ouvrant de nouvelles possibilités pour la photonique sur silicium.
Un objectif central du projet est d'exploiter ces concepts pour l'intégration hybride de matériaux III-V sur silicium. Les techniques de transfert par impression, combinées à des interfaces nanostructurées adaptées, constituent une voie prometteuse pour une intégration efficace et scalable de matériaux actifs. Les guides d'ondes périodiques et sub-longueur d'onde permettent d'améliorer l'adaptation de modes, l'efficacité de couplage et la stabilité mécanique des couches transférées, facilitant ainsi la réalisation de plateformes photoniques hybrides robustes.
Le projet s'appuie également sur le développement de méthodologies de conception avancées. Le couplage multiphysique entre effets optiques, mécaniques et procédés d'intégration nécessite des outils de simulation adaptés. Une approche combinant simulations numériques complètes et modèles physiques réduits sera utilisée afin d'explorer efficacement l'espace de conception et d'optimiser les structures.
À terme, ce travail vise à établir un cadre unifié pour la conception de guides d'ondes périodiques et nanostructurés, reliant photonique, optomécanique et intégration hybride, et permettant de nouvelles architectures de dispositifs intégrant fonctions passives, actives et mécaniques sur une même plateforme silicium. La structuration périodique constitue une approche puissante pour façonner les propriétés optiques, mécaniques et dispersives des guides d'ondes intégrés. Les guides d'ondes périodiques offrent des degrés de liberté supplémentaires grâce à l'ingénierie des bandes, aux effets de lumière lente et au contrôle des profils modaux. Ces propriétés sont pertinentes non seulement pour l'optomécanique, mais également pour un large éventail de fonctions photoniques telles que le filtrage, l'optimisation des effets non linéaires et le contrôle des interactions lumière-matière.
Ces dernières années, la structuration sub-longueur d'onde a considérablement étendu l'espace de conception en permettant une ingénierie efficace du milieu et un contrôle précis du confinement modal et de l'adaptation d'impédance. Ces concepts sont particulièrement pertinents en photonique sur silicium, où ils permettent d'améliorer les performances des dispositifs et d'introduire de nouvelles fonctionnalités.
Parallèlement, l'intégration hybride de matériaux III-V sur silicium s'est imposée comme une stratégie clé pour dépasser les limitations intrinsèques du silicium, notamment pour les fonctions actives telles que la génération et l'amplification de lumière. Les techniques de transfert par impression, combinées à des structures sub-longueur d'onde, offrent une voie prometteuse pour une intégration déterministe de matériaux III-V sur des guides d'ondes en silicium. Dans ce contexte, les guides d'ondes périodiques et nanostructurés jouent un rôle central en facilitant l'adaptation modale, en améliorant l'efficacité de couplage et en assurant un ancrage mécanique robuste des matériaux transférés.
Malgré ces perspectives, la conception de guides d'ondes périodiques intégrant simultanément des contraintes optiques, mécaniques et d'intégration hybride reste un défi. Elle nécessite des outils de simulation avancés capables de traiter des interactions multiphysiques, ainsi que des modèles simplifiés basés sur la physique pour guider l'intuition et réduire la complexité numérique
L'objectif de ce travail est d'étudier les architectures de guides d'ondes périodiques pour la photonique intégrée, avec un accent particulier sur leur application à l'optomécanique, aux fonctionnalités photoniques avancées et à l'intégration hybride III-V/silicium.
Ce travail comprendra le développement et l'optimisation d'outils de simulation pour la conception de guides d'ondes périodiques, en prenant en compte à la fois les modes optiques et mécaniques ainsi que leurs interactions. L'approche combinera des simulations numériques avec des modèles simplifiés basés sur la physique afin d'explorer efficacement l'espace de conception et d'identifier des géométries optimales.
Un objectif spécifique est d'exploiter les nanostructures sub-longueur d'onde pour l'ingénierie des propriétés optiques effectives des guides d'ondes, permettant un meilleur contrôle de la dispersion, du confinement et du couplage. Ces structures seront également étudiées comme interfaces fonctionnelles pour le transfert par impression de matériaux III-V sur silicium, dans le but d'améliorer la tolérance aux défauts d'alignement, l'efficacité de couplage et la stabilité mécanique.
L'activité de recherche comprendra une étude théorique des structures périodiques et sub-longueur d'onde les plus avancées afin de comprendre leurs principes de fonctionnement et leurs limites. Sur cette base, des modèles réduits seront développés pour décrire les interactions optiques, mécaniques et hybrides, fournissant des règles de conception pour des dispositifs optimisés.
À terme, ce travail vise à établir un cadre cohérent pour la conception de guides d'ondes périodiques et nanostructurés permettant de combiner des fonctions passives et actives, en faisant le lien entre la photonique sur silicium et les technologies d'intégration hétérogène