Jury members:

Andrea Bragas, Universidad de Buenos Aires, Rapportrice

Sebastian Volz, LIMMS - University of Tokyo, Rapporteur

Juan Ariel Levenson, C2N/CNRS, Examinateur

Anthony Kent, University of Nottingham, Examinateur

Samuel Raetz, LAUM - Le Mans Université, Examinateur

Daniel Lanzillotti-Kimura, C2N/CNRS, Directeur de thèse

Pascale Senellart, C2N/CNRS, Co-encadrante

Abstract:

Phonons are quasi-particles relatively unexploited for application purposes, in comparison with electrons and photons. GaAs/AlAs heterostructures like superlattices have been established as a platform that allows engineering the propagation and confinement of acoustic phonons in nanostructures. In this work, we introduce novel devices that control the propagation of acoustic waves and, furthermore, allow us to study and mimic solid-state physical phenomena of different nature. Superlattices also offer the possibility  to enhance the transduction of acoustic phonons into optical signals. Nowadays, there exists a demand for novel techniques that facilitate the experimental study of nanophononic devices. In the course of this thesis, we have experimentally studied nanoengineered GaAs/AlAs heterostructures that control the propagation of coherent acoustic phonons in the tens to hundreds of gigahertz range. We develop novel experimental techniques based on the use of single-mode fibers and pump-probe spectroscopy that allow us to identify the presence of coherent phonons with unprecedented robustness and reproducibility.

Visio link: https://us02web.zoom.us/j/85202959302

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Members of the jury:

Mme Beatrice DAGENS - Thesis director Université Paris-Saclay (C2N), France.

M. Vladimir BELOTELOV - Reporter :  Lomonosov Moscow State University, Russia.

M. François ROYER - Reporter :  Université Jean Monnet Saint-Étienne (LabHC), France.

Mme Giovanna CALO - Examinator :  Politecnico di Bari (DEE), Italy.

M. Mathias VANWOLLEGHEM - Examinator :  Université Lille 1 (IEMN), France.

M. Eric CASSAN - Examinator : Université Paris-Saclay (C2N), France.

M. Giovanni MAGNO - Examinator :  Politecnico di Bari (DEE), Italy.

M. Alexandre Shen - Invited : III-V Lab, France.

Abstract:

Integrated optical isolators are nonreciprocal components which are crucial for complex Photonic Integrated Circuits, in order to protect laser sources from reflected signals. Our aim is to develop isolator structures in waveguiding configuration which are based on the intertwined effects of magneto-optics and plasmonics. Such a system exploits on one hand magneto-optical (MO) effects to provide nonreciprocal functionality and on the other hand, propagating surface plasmons to enhance these nonlinear effects and contribute to the miniaturization of the device.  Two different magnetoplasmonic isolator geometries are studied thoroughly in this thesis. The first is a resonant device consisting of a MO waveguide side coupled to a nanostructured gold grating. The second is non-resonant and is based on the asymmetric plasmonic mode of a MO slot waveguide. In both cases, high values of isolation ratio and figure of merit are predicted with a respectable bandwidth of operation.

Lien visio: https://eu.bbcollab.com/guest/daaf7e27ea9c41afab06ee984b7b2922

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Christian GRILLET, Chargé de recherche (HDR), EEA/INL,Rapporteur

Olivier GAUTHIER-LAFAYE, Directeur de recherche, LAAS, Rapporteur

Éric TOURNIÉ, Professeur, Université de Montpellier, Examinateur

Riad HAIDAR, Directeur de recherche, ONERA, Examinateur

Delphine MARRIS-MORINI, Professeur, Université Paris Saclay, Directrice de thèse

Grégory MAISONS, Ingénieur chercheur, mirSense, Encadrant de thèse

Pierre LABEYE, Ingénieur chercheur, CEA-Leti, Invité

Ce manuscrit présente le travail de thèse effectué pour la conception d’une source moyen infra-rouge largement accordable. Cette source a pour objectif d’être utilisée pour de la spectroscopie liquide/solide.

Le but principal de ces travaux est de combiner l’ensemble des faisceaux issus d’une barrette de QCL afin d’en utiliser toutes les longueurs d’ondes.

Pour réaliser cette source, la première étape a été de caractériser et de définir le champ en sortie des barrettes de QCL. Pour ce faire, une méthode de caractérisation par électroluminescence des zones actives ainsi qu’une méthode de modification du profil de champs en sortie des guides ont été implémentées.

Pour réaliser la fonction de combinaison des faisceaux deux solutions ont été envisagées.

La première est la réalisation d’un multiplexeur en optique intégrée. Un AWG ayant 67 entrées espacées de 3 cm-1 couvrant la gamme spectrale [8.01-9.52] μm a été conçu.

La seconde est une solution de multiplexage en espace libre. Ce type de dispositif utilise un système composé d’un réseau de microlentilles permettant de combiner l’ensemble des faisceaux à une certaine distance. Ainsi trois microlentilles innovantes sont présentées avec leurs performances associées.

Ces travaux ont ainsi permis de déboucher sur une source multi longueurs d’ondes fonctionnelle basée sur un réseau de QCL et sur un multiplexeur en espace libre.

Lien visio: https://eu.bbcollab.com/guest/7c816898c1814b9fb1f907a5f5803358

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Jury members :

Mme. Agnès Trassoudaine – Professeur, Université Clermont Auvergne, apporteur

M. Jean-Paul Salvestrini – Professeur, Georgia-Tech Lorraine, Rapporteur

Mme. Marie-Ingrid Richard– Directeur de recherche, CEA-IRIG-MEM, Examinateur

M. Franck Vidal – Professeur, Sorbonne université, Examinateur

M. Jean-Christophe Harmand – Directeur de recherche, C2N, Directeur de thèse

M. Ludovic Largeau – Ingénieur de recherche, C2N, Encadrant de thèse

Mme. Maria Tchernycheva – Directeur de recherche, C2N, Invité

M. Christophe Durand – Maître de conférences, Université Grenoble-Alpes, Invité

Abstract :

De par leurs excellentes propriétés physiques, les nitrures d’éléments III sont des semi-conducteurs très prisés pour la fabrication de dispositifs micro-électroniques et opto-électroniques. Bien que de nombreux dispositifs à base d’alliages III-N soient d’ores et déjà commercialisés, leurs performances peuvent rester impactées par une densité importante de défauts dans les couches actives. Cela est lié à l’absence de substrat natif de III-N, disponible à bas coût. Actuellement, la fabrication de ces couches est réalisée par hétéroépitaxie, c’est-à-dire sur des substrats massifs de nature différente. Il apparaît donc important d’identifier un substrat alternatif pour améliorer la qualité cristalline des couches actives. Dans ce contexte, j’ai cherché à élaborer des domaines de GaN monocristallins et de taille micrométrique, pouvant servir à la fabrication d’un dispositif unique sur chacun d’eux. J’ai utilisé un procédé novateur reposant sur deux étapes importantes : (i) l’épitaxie par jets moléculaires (EJM) de nanostructures d’excellente qualité cristalline sur un substrat ultimement mince et compliant : le graphène transféré sur silice ; (ii) l’élargissement latéral de ces nanostructures par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM). Mes résultats ont tout d’abord illustré la problématique de la nucléation du GaN sur le graphène et plus généralement, d’un matériau 3D (d’orbitales sp³) sur un matériau 2D (d’orbitales sp²). Une très longue durée d’incubation est notamment observée avant nucléation des premiers germes de GaN. J’ai cherché à expliquer l’origine de ce temps d’incubation et identifié des conditions expérimentales permettant de le raccourcir. J’ai mis en évidence d’importantes modifications structurales du graphène qui surviennent pendant l’incubation. Il est probable que ces modifications représentent des sites d’ancrage pour la nucléation du GaN. Puis l’état de contrainte des premiers germes de GaN a été mesuré in situ à l’ESRF. Nous avons mis en évidence une contrainte en tension du GaN de 0.8%, au tout début de la nucléation. Un scénario de croissance reprenant nos divers résultats expérimentaux est proposé.  J’ai aussi montré qu’on peut réaliser une épitaxie sélective de nanofils de GaN sur de très petits motifs de graphène structurés sur la silice. Des conditions optimisées ont permis d’obtenir un nanofil unique par motif. Mes résultats préliminaires sur l’étape d’élargissement latéral des nanofils démontrent la possibilité d’obtenir des cristaux micrométriques de GaN sans défauts étendus. J’ai étudié leur cinétique de croissance à l’aide de marqueurs d’AlN. On atteint un régime de croissance fortement anisotrope correspondant à l’avancée de facettes verticales, condition idéale pour développer des micro-templates de GaN. Cette approche par épitaxie sélective sur des motifs de graphène offre des perspectives très prometteuses pour le transfert de micro-dispositifs vers un substrat hôte, différent du matériau support de croissance.

Lien visio: https://eu.bbcollab.com/guest/36bf1927e4b1470998aa4a89cf2aa02c

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Jury members :

Valia Voliotis, ProfesseurSciences Sorbonne Université, Rapporteur

Thierry Amand, Directeur de RecherchesCNRS-INSA Toulouse, rapporteur

Delphine Morini, Professeur, Centre de nanosciences et de nanotechnologies, Examinateur

Julien Claudon, Chercheur, CEA-IRIG, Examinateur

Jean-François Roch, Professeur, ENS Paris-Saclayan, Examinateur

Olivier Krebs, Directeur de recherche, Centre de nanosciences et de nanotechnologies, Directeur de thèse

Valérian Giesz, co-founder and CEO Quandela, invité

Abstract :

L’amélioration constante des performances des sources semi-conductrices de photons uniques en ont fait des composants essentiels pour les applications quantiques nécessitant un flux élevé de photons uniques et indiscernables. Dans ce travail, nous utilisons des boîtes quantiques (BQ) couplées à des micro-piliers optiques ayant déjà prouvées leur capacité à atteindre ces exigences. Dans ce contexte, nous développons différentes techniques pour obtenir une source efficace, tout en améliorant la facilité d’utilisation pour les utilisateurs non experts.

Nous détaillons donc le développement et l’optimisation d’un microscope confocal stable et compact pour collecter efficacement les photons uniques dans une fibre monomode pendant plusieurs

jours. Ce dernier s’adapte à la fois à différents types de collection (espace libre ou fibré) ainsi qu’à différentes techniques d’excitation de la BQ: excitation sous fluorescence résonante, ou assistée par l’émission de phonons acoustiques longitudinaux (AL). Cette seconde manière d’exciter se base

sur les interactions entre les transitions de la BQ et les phonons acoustiques longitudinaux grâce à un laser légèrement désaccordé en énergie. Ainsi, ce dernier est filtré spectralement, et tous les photons uniques émis sont collectés. Nous démontrons alors une brillance multipliée par trois, ainsi qu’une émission, linéairement polarisée, de photons uniques et indiscernables. Enfin, afin de fournir une source de photons uniques "plug-and-play", nous détaillons le développement d’un système complétement fibré afin de s’affranchir de positionneurs et d’un cryostat à faibles vibrations, volumineux et chers. Ainsi, nous proposons une méthode pour placer et fixer une fibre monomode au-dessus d’un pilier. Ce travail est toujours en cours, mais les premiers résultats montrent le potentiel de cette technique.

Lien public : https://eu.bbcollab.com/guest/5cd83e3e37d54d0b8b950d0a54f46445

Jury members :

     Philippe Boucaud, Directeur de recherche, CNRS, CRHEA, Rapporteur & Examinateur

      Eric Tournié, Professeur, Université de Montpellier, Rapporteur & Examinateur

      Sophie Bouchoule, Directrice de recherche, CNRS, C2N, Examinatrice

      Sara Ducci, Professeure, Université de Paris, Examinatrice

      Yoan Léger, Chargé de recherche, CNRS, Institut Foton, Examinateur

      Isabelle Sagnes, Directrice de recherche, CNRS, C2N, Directrice de thèse

      Arnaud Grisard, Ingénieur TRT, Invité

Abstract :

 L’infrarouge moyen est une zone du spectre électromagnétique indispensable à de nombreuses applications, notamment dans le domaine de la sécurité et de la défense. Néanmoins, la plupart des sources matures ne couvrent pas tous les besoins en termes d’efficacité, de compacité ou de plage de longueurs d’onde. La détection dans cette même gamme du spectre électromagnétique est également limitée par les performances des détecteurs qui sont plus bruités ou coûteux que leurs équivalents visibles. Ces deux thématiques peuvent s’appuyer sur l’optique non-linéaire et ses capacités de transposition de longueurs d’onde. En exploitant en particulier les phénomènes non-linéaires du second ordre ainsi que les propriétés de certains matériaux semiconducteurs pour recourir à la conversion de fréquence en configuration guidée, ce travail prépare l’intégration de futurs composants pour le moyen-infrarouge.

 Le premier volet de la thèse est axé sur la conception et la caractérisation de guides d’onde à orientation périodique en arséniure de gallium (OP-GaAs) pour la génération de spectres larges dans le moyen-infrarouge, adaptés à un couplage fibré autour de 3 μm et présentant de faibles pertes. Le second vise la conception et la fabrication de guides d’onde à orientation périodique en phosphure de gallium (OP-GaP) pour la conversion de signaux infrarouges vers le visible et plus particulièrement le doublage de fréquence à 1,5 μm. Pour ces nouveaux composants, notre premier objectif est de trouver des géométries de guides compatibles avec ces applications et avec les contraintes technologiques de fabrication.

 Les travaux présentés dans ce manuscrit ont mené à la fabrication de guides d’onde OP-GaAs montrant un niveau de pertes dans le moyen-infrarouge à l’état de l’art ainsi qu’un potentiel de génération de spectres larges, dans lesquels de la génération paramétrique a pu être observée. Ces premières caractérisations ont permis la conception de nouveaux composants mieux adaptés à nos conditions expérimentales. D’autre part, diverses pistes ont été explorées pour mettre au point les étapes de fabrication de guides d’onde OP-GaP. Celles-ci ont permis de lever plusieurs verrous liés à la fabrication de structures guidantes à orientation périodique dans ce matériau et ont abouti au développement de différents composants candidats à la conversion de fréquence des longueurs d’onde télécom vers le visible.

Le nombre de place est réduit à 35 personnes dans l’auditorium avec les mesures Covid, si vous souhaitez assister en présentiel à la soutenance, merci de d'en informer Myrial à l'adresse mail suivante: myriam.bailly@thalesgroup.com.

Lien visio : https://teams.microsoft.com/l/meetup-join/19%3ameeting_YjY0Y2YwMjUtNjcwNS00M2E5LWFmNTUtZGE2NzQyNGY4M2U0%40thread.v2/0?context=%7b%22Tid%22%3a%226e603289-5e46-4e26-ac7c-03a85420a9a5%22%2c%22Oid%22%3a%2245ec514a-4491-42d3-86c9-0da09e0252b8%22%7d