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  • ['Photonique']

    (in french) Métamatériaux « tout diélectrique» : indice nul et indice négatif


      Eric Akmansoy.

    (in french)

     

    Proposition de stage de master 2

    Métamatériaux « tout diélectrique» : 

     

    indice nul et indice négatif 

     Éric Akmansoy 

    Département Photonique

    Les métamatériaux ont ouvert un nouveau champ en physique et en ingénierie. En effet, ces matériaux artificiels structurés possèdent des propriétés électromagnétiques surprenantes, telles que l’indice de réfraction négatif ou nul. L’indice de réfraction négatif permet la la focalisation sub-longueur d’onde par la lentille parfaite, c-à-d, une lentille plate s’affranchissant du critère de Rayleigh. Un autre phénomène que permettent les métamatériaux est la cape d’invisiblité. Les métamatériaux se développent maintenant vers la mise en oeuvre de composants [1]. Les métamatériaux « tout diélectrique»prometteurs car ils subissent de faibles pertes et leur géométrie est simple [2]. 

    Nous concevons, fabriquons et caractérisons des métamatériaux « tout diélectrique»érant des micro-ondes au térahertz. Ils fonctionnent à partir des résonances de Mie de résonateurs diélectriques à grande permittivité. Nous avons mis en évidence un indice de réfraction négatif à 10 GHz [3, 4]. Récemment, nous avons aussi conçu une « métalentille»i.e. une lentille plate à gradient d’indice fonctionnant au térahertz [5]. 

    Durant ce stage, le couplage entre les modes de résonance sera étudié de façon à mettre en évidence un indice de réfraction négatif et un indice de réfraction quasi-nul. Les métamatériaux « tout diélectrique»simulés numériquement au moyen d’un logiciel afin d’extraire les paramètres électromagnétiques et l’indice de réfraction (cf. figure 1). Ce travail pourra être poursuivi par une thèse. 

     

     

    Fig. 1: Couplage entre les deux modes de résonance d’un métamatériau « tout diélectrique»le domaine téraHertz. Les trois zones du couplage sont mises en évidence  ; la courbe a la forme d’un diapason  : couplage faible  : pas d’indice négatif  ; couplage optimal (zone en grisé)  : l’indice est négatif  ; couplage fort  : l’indice n’est plus défini et les modes sont dégénérés. 

     

    Références

    [1]    N. I. Zheludev and Y. S. Kivshar, “From metamaterials to metadevices,”  Nat Mater, vol. 11, pp. 917–924, 11 2012.

    [2]    S. Jahani and Z. Jacob, “All-dielectric metamaterials,” Nat Nano, vol. 11, pp. 23–36, 01 2016.

    [3]    T. Lepetit, E. Akmansoy, and J.-P. Ganne, “Experimental evidence of resonant effective permittivity in a dielectric metamaterial,” Journal of Applied Physics, vol. 109, no. 2, p. 023115, 2011.

    [4]    T. Lepetit, É. Akmansoy, and J.-P. Ganne, “Experimental measurement of negative index in an all-dielectric metamaterial,” Applied Physics Letters, vol. 95, no. 12, p. 121101, 2009.

    [5]    F. Gaufillet, S. Marcellin, and E. Akmansoy, “Dielectric metamaterial-based gradient index lens in the terahertz frequency range,” IEEE J Sel Top Quant, vol. 10. 1109/JSTQE. 2016. 2633825, 2017.

     

    followed PhD

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    eric.akmansoy@u-psud.fr - 01 69 15 41 43

  • ['Photonique']

    (in french) Photodiodes à avalanche dans la filière germanium pour le développement d’une nouvelle génération de récepteurs intégrés.


      Laurent Vivien.

    (in french)

    Afin d’adresser la problématique liée aux limitations des interconnections métalliques en termes de débits notamment,
    la photonique sur Silicium s’est imposée comme une technologie de choix. Bien que déjà disponible
    commercialement, des développements sont encore nécessaire pour adresser la demande croissante en débit des
    communications et ce pour chaque composant de base. D’un point de vue du récepteur, cela se traduit par des
    photodétecteurs toujours plus sensibles et rapides, tout en maintenant une faible consommation électrique. Le
    Germanium est un matériau de choix pour la photodétection en photonique sur Silicium puisqu’il est possible de
    l’épitaxier directement sur Silicium et qu’il offre une forte absorption aux longueurs d’onde utilisées pour les
    communications optiques (typ. 1300-1600nm). Des résultats préliminaires très prometteurs ont été obtenus sur des
    détecteurs à avalanche en germanium ouvrant les études vers de nouvelles configurations de récepteurs intégrés.
    Le sujet de stage propose d’étudier différentes configurations de détecteurs à avalanche germanium en étroite
    collaboration avec le CEA/Leti à Grenoble et le C2N à Orsay. Une première tâche consistera à étudier
    expérimentalement une nouvelle architecture basée sur une double hétéro-jonction Si/Ge/Si en mode photodiode et en
    mode avalanche pour l’évaluation de leurs caractéristiques. Des mesures DC et en rapidité seront effectuées.
    D’autres types de configurations de diodes seront également envisagés dans le cadre du stage, basés dans un premier
    temps sur la structure SACM (Separate Absorption Charge Multiplication).
    De plus, le candidat sera amené à étudier les propriétés physiques du GeSn pour la detection de la lumière dans le
    proche-IR et le moyen-IR. En effet, l’incorporation d’atome d’étain dans le germanium amène à considérablement
    changer la structure de bande pour aller vers un matériau à gap direct et étendre le spectre d’absorption vers le moyen
    IR.

     

    followed PhD

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    laurent.vivien@c2n.upsaclay.fr - 0169154070

  • ['Nanoelectronique']

    Full-band quantum transport modeling of opto-electronic sensors


      Marco Pala.

    Advanced optoelectronic devices such as the single-photon avalanche diode (SPAD) are already largely employed in the fields of 3D imaging, camera assist, laser ranging and proximity [1]. Next generation of SPAD will be devoted to time-of-flight 3D ranging and fast movement detection, notably for long LiDaR used in autonomous driving cars, collision avoidance, seeing round corners. To achieve these new technological challenges, it is required to have efficient devices of smaller dimensions with photon detection probability (PDP) as high as 10 times the present values. A crucial and not trivial issue is to obtain larger PDP without increasing the obscurity signal detection or dark count rate (DCR), but also the time distribution response to the reflected light pulses (jitter), cross-talk among different devices and parasitic events [2]. Technology Assisted Design (TCAD) methods used  to support new generation of optoelectronic devices development are severely challenged by the lack of accurate and predictive physical models.

    The PhD thesis will consist in developing full-quantum models in state-of-the art numerical codes in order to simulate photo-induced currents in advanced optoelectronic devices such as SPADs. These models will provide reliable and predictive simulations able to reach a deep understanding of the device physics. The ultimate goal of this PhD will be to propose original design options based on scales nanostructures such as thin semiconductor films and nanowires. This study will allow us to optimize existing optoelectronic devices, as well as to test new device based on unexplored working principles.

    In particular, we will try to address the relevance of non-local effects related to quantum confinement and quantum correlations between carriers and photons and phonons on the electric performance and on the signal-to-noise ratio of optoelectronic devices.  To this purpose, quantum transport will be addressed by using the Non-equilibrium Green’s function method, which will allow us to include also the inelastic electron-photon and electron-phonon interactions [3]. These phenomena will be modeled by using non-local self-energies within the self-consistent Born approximation, while the electron-electron interaction will be included within the Hartree approximation. Full band effects will be also considered thanks to the use of empirical pseudopotential models [4, 5] since high-energy carriers are involved during the occurrence of impact ionization in SPAD. The role played by trap assisted tunneling in determining the noise of such devices will be also simulated with a full –quantum approach [6].

    Importantly, all the simulations and physical models will be validated by comparing numerical results with experimental data which will be supplied by STMicroelectronics, which is a world-leader company in the field of single-photon detectors [7].

     

    [1] D. Bronzi et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. vol. 20, p. 3804310, (2014).

    [2] Y. Xu, P. Xiang, X. Xie and Y. Huang, Semicond. Sci. Technol. vol. 31, p. 065024 (2016).

    [3] G. Mahan, Many-Particle Physics, Plenum Press, New York, (1990).

    [4] M. Cohen and J.R. Chelikowsky, Electronic structure and optical properties of semiconductors, Springer, (2012).

    [5] M. G. Pala, O. Badami, D. Esseni, IEEE-International Electron Device Meeting, p. 35.1.1 (2017)

    [6] M.G. Pala and D. Esseni, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 60, pp. 2795 - 2801 (2013).

    [7] http://www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutions/proximity-sensors.html


    marco.pala@c2n.upsaclay.fr - 0169157283

  • ['Photonique']

    Ultrathin III-V/Si tandem solar cells


      Stéphane Collin.

    III-V-based solar cells are the best candidate for high-efficiency tandem solar cells on silicon. Record efficiencies (>33%) have been obtained with tandem fabricated by direct wafer bonding of III-V on Si. The main drawback of this technology is the cost.

    The goal of this project is to develop a new architecture for ultrathin III-V/Si tandem solar cells, and to use processes compatible with low-cost fabrication. A multi-functional nanostructured layer will be designed and inserted between III-V and Si in order to facilitate the bonding of III-V layers on Si, transport of carriers, and light trapping for thickness reduction. The project will take place at IPVF and C2N, in close collaboration with the Fraunhofer ISE and the Collège de France. The PhD grant is funded by EDF.


    stephane.collin@c2n.upsaclay.fr - +33 1 6963 6145

  • ['Photonique']

    Ultrathin III-V/Si Tandem Solar Cells


      Andrea Cattoni.

    C2N-CNRS and Fraunhofer ISE recently demonstrated a ultrathin (200 nm) GaAs solar cell with record efficiency of 20% using efficient light trapping. Starting from these concepts, the aim of the project is to develop new and robust wafer bonding technique for 2-terminals III-V/Si tandem solar cell compatible with light trapping architectures for both bottom and top cell. The bonding method will be preferentially based on dielectric also made by sol-gel method. Different Hybrid sol-gels or ionogels materials will be synthesized and investigated and selected in order to provide sufficient bonding strength, transparency, electrical conductivity. 

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    andrea.cattoni@c2n.upsaclay.fr - +33(0)169636048

  • ['Photonique']

    Nano-optomechanics for time-frequency metrology and microwave photonics


      Rémy Braive.

    The photonic clock architecture will rely on an integrated high-quality optomechanical resonator, namely a photonic crystal defect cavity, in order to achieve very stable oscillation in the GHz range, where the lack of good quality and miniaturized sources is a severe issue. Thanks to the strong reduction of the oscillator dimensions down to nanoscale, the resonator will sustain mechanical modes strongly coupled to light up to 3-5 GHz, directly at the operating frequency of interest for optoelectronic microwave oscillators and metrology applications.

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    remy.braive@c2n.upsaclay.fr - 01 69 63 60 49

  • ['Photonique']

    Non-linear dynamics of nano-optomechanical resonators


      Rémy Braive.

    Nonlinear dynamics in optomechanical resonator can cause both the optical and the mechanical modes to evolve from periodic to chaotic oscillations. Despite recent progress and growing interest on nonlinear dynamical effects occurring in Nano-OptoElectroMechanical systems (NOEMs), optomechanical chaos and stochastic resonance remain largely unexplored experimentally in such research field. Further experimental and theoretical studies will not only substantially deepen our understanding of noise-induced processes in non-linear NOEMs but also cast the bases for their use in noise-aided high-precision measurements and noise-assisted detection of weak signals.

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    remy.braive@c2n.upsaclay.fr - 01 69 63 60 49