Jury:

Daniel Brunner, Femto-ST CNRS, Reviewer

Marc Sciamanna, Centrale Supelec Metz, Reviewer

Peter Bienstman, Ghent University, Examiner

Massimo Giudici, Université de Nice Sophia Antipolis, Examiner

Alice Mizrahi, UMR CNRS/Thales, Examiner

Sylvain Barbay, CNRS-C2N Palauseau, Thesis advisor

Abstract:

The work presented in this thesis can be divided into two parts: photonic neuromorphic computing and machine learning applied to photonics. In the first part of the thesis, we present results on excitable micropillar lasers. Excitable lasers exhibit several similarities to biological neurons but operate at much faster timescales. We present experimental and numerical results on independent and coupled micropillar lasers. Depending on the coupling mechanism, the micropillars display a variety of dynamical properties that can be used for neuromorphic computing. In the second part of the thesis, we present numerical results on predicting of occurrence of extreme events by using experimentally recorded data from a quasi 1-D semiconductor laser displaying spatio-temporal chaos. Our prediction is based on partial information of the spatio-temporal field in the system and on the identification of precursors. We analyzed the performance of a variety of machine learning techniques such as Logistic Regression, k-Nearest Neighbours, Reservoir Computing, and Recurrent Neural Networks on the prediction task.

The current restrictions permit a maximum attendance of 50 people. Please register yourself on: https://docs.google.com/spreadsheets/d/1BFno4_OXv_7GSHK28zknz8cIe5tXMOvtFhA-FMo73GE/edit?usp=sharing

However, everyone is welcome to attend my talk virtually using the following link: https://us02web.zoom.us/j/86277738532

Quantum dots are a key building block for quantum technologies as they are able to generate single photons or entangled photon pairs. The deterministic fabrication of sources based on quantum dots in cavities paves the way towards scalability: we show for the first time that it is possible to obtain homogeneous properties, by studying in detail 15 of our sources. Each characteristic of the quantum dots' emission is measured with a specific setup. Among them, the indistinguishability is accessible through the visibility of the Hong-Ou-Mandel interference. We study how this latter quantity is affected by the presence of additional photons, depending on the nature of that noise. We thus derive a formula to deduce the true single-photon indistinguishability from the measured visibility and apply it to our sources. Finally, the properties of the emission from quantum dots is deeply related to their charge state and symmetry. We propose a new way to control the exciton's symmetry by applying three voltages via a specific structure. This experimental study opens the way to the reproducible generation of entangled photon pairs with a high brightness as well as frequency-encoded qubits.

Jury composition

Rosa TUALLE-BROURI,  IOGS, Université Paris-Saclay, Présidente

Carole DIEDERICHS, Sorbonne Université , Rapportrice

Jan SUFFCZYNSKI,  University of Warsaw , Rapporteur

Jean-Michel GERARD, CEA Grenoble, Examinateur

Rinaldo TROTTA, Université La Sapienza de Rome, Examinateur

Pascale SENELLART, CNRS-C2N Palaiseau, Directrice de thèse

Membres du jury

Carole CHAIX (rapporteur & examinatrice), Directrice de recherche, Université de Lyon (ISA)

Benoit CHARLOT (rapporteur & examinateur),Directeur de recherche, Université de Montpellier (IES)

Bruno LE PIOUFLE (examinateur),Professeur, Université Paris-Saclay (SATIE)

Benoit PIRO ( examinateur), Professeur, Université Paris-Diderot (ITODYS)

Isabelle TURBICA (examinatrice),Professeur, Université Paris-Saclay (INSERM)

Elisabeth DUFOUR-GERGAM,Professeur, Université Paris-Saclay (C2N) Directrice de thèse

Mehdi AMMAR, Maître de conférences, Université Paris-Saclay (C2N) Co-Encadrant

Claire SMADJA,Professeur, Université Paris-Saclay (IGPS) Co-Encadrante 

Abstract:

Les cytokines pro-inflammatoires sont des molécules impliquées dans de nombreuses pathologies (cancer, troubles dépressifs, CoViD-19, …) et présentes dans différents fluides biologiques (sang, sueur, salive, …). Le développement d’un biocapteur capable d’identifier et quantifier les cytokines dans ces différents fluides constituerait une stratégie très innovante dans le suivi des pathologies pro-inflammatoires. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de développer un dispositif microfluidique intégrant des billes magnétiques fonctionnalisées pour la capture et la manipulation d’une cytokine modèle, le Tumor Necrosis Factor Alpha (TNF-α). Dans ce dispositif, les billes magnétiques fonctionnalisées avec des anticorps capturent le TNF-α au sein d’un circuit microfluidique et sont manipulées par des microbobines intégrées au dispositif. Une chambre fluidique de détection intégrant une surface biofonctionnalisée avec des anticorps anti-TNF-α permet l’immobilisation des immunocomplexes à base de TNF-α qui seront quantifiés par fluorescence. Dans un premier temps, un protocole de fonctionnalisation chimique du PDMS, matériau support du circuit microfluidique, a été développé et optimisé pour la réalisation de la chambre fluidique de détection. Cette fonctionnalisation par amino-silanisation a été caractérisée par différentes techniques physico-chimiques de surface : angle de contact, EDX, AFM, FTIR et microscopie à fluorescence. Les surfaces préparées ont été validées pour la détection par un immunodosage du TNF-α avec une limite de détection de 0.55 μg/mL (31.6 nM) en microscopie à fluorescence. L’intégration en microfluidique de ce procédé a ensuite consisté en un assemblage des surfaces silanisées avec un circuit microfluidique. Un protocole microfluidique de greffage des anticorps a été développé et a permis d’améliorer la qualité de la détection en termes de reproductibilité, rapidité et sensibilité avec une limite de détection de 0.22 µg/mL (12.64 nM) en fluorescence.Dans la deuxième partie de la thèse, l’utilisation de billes magnétiques comme vecteur de capture des cytokines a nécessité de choisir un modèle de billes en adéquation avec l’immunocapture du TNF-α. Dans cette optique, une méthode analytique a été développée par digestion enzymatique et chromatographie d’exclusion stérique (SEC) permettant de caractériser la qualité de l’immobilisation des anticorps à la surface (densité et orientation des anticorps). Parmi plusieurs modèles de billes (carboxyliques, tosylées, streptavidines et protéines G), les billes protéines G ont montré les meilleures performances avec plus de 70 000 anticorps immobilisés par bille dont 75% d’entre eux spécifiquement orientés pour une capture du TNF-α. Dans la dernière partie de la thèse, un dispositif de contrôle et de capture magnétique des billes protéine G a été élaboré à partir de microbobines de cuivre, encapsulées dans le circuit microfluidique. Celles-ci ont été fabriquées et caractérisées en salle blanche afin de générer un champ magnétique suffisant pour le blocage des billes tout en limitant les effets thermiques dus au courant injecté dans les bobines. La miniaturisation des bobines a permis leur intégration à proximité du circuit microfluidique générant un champ magnétique très localisé compatible avec les dimensions de la chambre de détection. Les dispositifs magnéto-fluidiques réalisés ont été évalués pour des premières expériences de fonctionnalisation des billes magnétiques protéine G par des anticorps fluorescents apportant ainsi la preuve de concept en vue de leur exploitation dans la détection intégrée des cytokines modèles (TNF-α).

Lien visio: https://eu.bbcollab.com/guest/fb9ce253fbf64473a9681cf705e5df2d

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Jury members

M. Jean-Noël AQUA, maître de conférences, HDR, Institut des Nanosciences de Paris, Sorbonne Université, Examinateur

M. Vladimir G. DUBROVSKII, professeur, Saint Petersburg State University et Institut Ioffe, Saint-Pétersbourg, Russie, Examinateur

Mme Anna FONTCUBERTA I MORRAL, professeure, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Suisse, Rapporteur

M. Teemu HAKKARAINEN, senior research fellow, Tampere University, Tampere, Finlande, Rapporteur

M. Frank GLAS, directeur de recherche CNRS, C2N, Directeur de thèse

M. Jean-Chistophe HARMAND, directeur de recherche CNRS, C2N, Co-directeur de thèse

M. Fabrice OEHLER, chargé de recherche CNRS, C2N, Co-encadrant de thèse, membre invité

Abstract

III-V semiconductor nanowires are highly promising building blocks for various applications. However, the full potential of nanowire-based devices will only be realized if the nanowire physical properties, which are usually set right when these nanostructures are elaborated, can be precisely tailored. My thesis concentrates on self-catalyzed GaAs and GaP nanowires grown on a Si substrate by molecular beam epitaxy, in the Vapor-Liquid-Solid mode. I address experimental and theoretical issues related to the precise control of the diameter of a nanowire, in particular its deterministic modification during growth, and to the formation of heterostructures in nanowires. I first study the dynamics of the consumption of a Ga apical catalyst droplet under exposure to a phosphorous flux. By combining experiments and modelling, I establish the mechanisms that contribute to the continuous decrease of the droplet volume and calculate analytically the corresponding material currents. Implementing my model allows me to modulate locally the nanowire diameter in a controllable fashion, in a standard growth setup. I thus manage to form a thinner or a thicker nanowire segment with a stable diameter on top of a stem of the same material. The second part of my work is devoted to core-shell nanowires. The fabrication of such structures, based on lattice-mismatched materials, is required for many applications, but it may generate deleterious crystal defects. I first compute the geometrical limits for core radius and shell thickness, above which the formation of a first interfacial dislocation is energetically favorable (and under which one should thus remain). I then grow GaAs/GaP core/shell nanowires in a wide range of core radii and shell thicknesses and determine for each geometry if dislocations form or not. The comparison of my theoretical and experimental determinations of the critical dimensions for plastic relaxation shows that it is possible to grow much thicker defect-free shells than predicted. All these results open the way to the realization of complex structures in nanowires, which should reveal useful for basic physics as well as for applications.

Lien visio: https://cnrs.zoom.us/j/92368385974

ID de réunion : 923 6838 5974
Code secret : SS3Aft

Thèse en collaboration avec le CEA LIST / NANOINNOV

Nous nous intéressons au problème de l'apprentissage continu de réseaux de neurones artificiels dans le cas où les données ne sont accessibles que pour une seule catégorie à la fois. Pour remédier au problème de l'oubli catastrophique qui limite les performances d'apprentissage dans ces conditions, nous proposons une approche basée sur la représentation des données d'une catégorie par une loi normale. Les transformations associées à ces représentations sont effectuées à l'aide de réseaux inversibles, qui peuvent alors être entraînés avec les données d'une seule catégorie. Chaque catégorie se voit attribuer un réseau pour représenter ses caractéristiques. Prédire la catégorie revient alors à identifier le réseau le plus représentatif. L'avantage d'une telle approche est qu'une fois qu'un réseau est entraîné, il n'est plus nécessaire de le mettre à jour par la suite, chaque réseau étant indépendant des autres. C'est cette propriété particulièrement avantageuse qui démarque notre méthode des précédents travaux dans ce domaine. Nous appuyons notre démonstration sur des expériences réalisées sur divers jeux de données et montrons que notre approche fonctionne favorablement comparé à l'état de l'art.

Dans un second temps, nous proposons d'optimiser notre approche en réduisant son impact en mémoire en factorisant les paramètres des réseaux. Il est alors possible de réduire significativement le coût de stockage de ces réseaux avec une perte de performances limitée.

Enfin, nous étudions également des stratégies pour produire des réseaux capables d'être réutilisés sur le long terme et nous montrons leur pertinence par rapport aux réseaux traditionnellement utilisés pour l'apprentissage continu.

Lien youtube : https://youtu.be/fnkqHQ7z4Os

Légende : Architecture de réseaux inversibles pour l'apprentissage continu

Jury members

M. Alfredo DE ROSSI, Directeur de thèse, Université Paris-Saclay GS Physique

M. Philippe BOUCAUD, Rapporteur, CNRS - CRHEA / Université Côte d'Azur

M. Dario GERACE, Rapporteur, Università di Pavia

M. Allard MOSK, Examinateur, Universiteit Utrecht

M. Xavier CHECOURY, Examinateur, Université Paris Saclay

Mme Christelle MONAT, Examinatrice, Ecole Centrale Lyon

M. Fabrice RAINERI, Co-encadrant de thèse, Université de Paris

M. Sylvain COMBRIE, Invité, Thales Research and Technology 

Abstract

All optical signal processing could drastically reduce the power consumption and increase the data rates allowed by its electronic counterpart. This approach requires the integration of multiple photonics systems on a chip. Components exploiting parametric interactions can perform various tasks such as wavelength conversion, amplification, sampling and switching as well as provide non-classical state–of-light for quantum information. Nonlinear micro-resonators are attractive in order to reduce the footprint of the component and the power required to activate the nonlinear effects. Photonic crystals (PhC) cavities seem to provide a very interesting platform due to their ability to strongly confine light in a close to diffraction-limited volume. However, due to the difficulty to engineer the dispersion of the photonic crystal cavity modes, the nonlinear efficiencies have remained well below the theoretical maximum allowed by these structures. Based on the previous work realized by the research group, the aim of this thesis is to harness the potential of nonlinear PhC cavities.
The cavities studied in this work are by design the optical analogous of the quantum harmonic oscillator. When the photons are submitted to a parabolic electromagnetic potential, the modes of the cavity are equally spaced in frequency, which matches the energy conservation requirement for parametric interactions. However, the linear characterization of these resonators shows that the structural disorder induces a deviation on the targeted frequency that requires a compensation technique.
To tackle this issue, a thermal tuning process that exploits the inhomogeneous spatial distribution of the electromagnetic modes is introduced. It allows to systematically put the cavity in a triply resonant configuration. This tuning technique is used to observe stimulated and spontaneous four wave mixing with record efficiency. Parametric oscillation in a PhC cavity is demonstrated for the first time in a sample with higher quality factors.
A second platform is also developed, based on the hybrid integration of a PhC cavity on a silicon circuitry, with a very low footprint and high integration capability. Efficient four wave mixing is again observed using the same tuning technique.  

Lien visio : https://u-paris.zoom.us/j/88469313083?pwd=cE5OTmdyS0lOZlVld0ROL21tOTNSUT09

Figure 1: First demonstration of parametric oscillation in a photonic crystal cavity

Composition du Jury
Sonia GARCIA BLANCO, Professeur, University of Twente, Rapporteur
Aline ROUGIER, Directrice de Recherche, CNRS, (ICMCB), Rapporteur
Odile STEPHANE, Professeur, LPS- Université Paris-Saclay, Examinatrice
Blas GARRIDO Professor, Universitat de Barcelona, Examinateur
Stefan ABEL Co-CEO and Co-founder, Lumiphase Corporation, Examinateur
Laurent VIVIEN, Directeur de Recherche, CNRS, C2N, Directeur de thèse
Sylvia MATZEN, Maître de Conférences, Université Paris-Saclay, Co-encadrante
Thomas MAROUTIAN, Directeur de Recherche, CNRS, Invité

Abstract
Les oxydes transparents avec des indices de réfraction modérés sont ciblés pour l'intégration hybride en raison des avantages. L'adaptation de réseau à l'aide d'une couche avec paramètre de maille entre le silicium et l'oxyde fonctionnel est une solution élégante pour faire croître par épitaxie des films d'oxyde fonctionnel cristallin de haute qualité. Cette technique nécessite d’un buffer pour visualiser les interfaces de films minces sans défaut, la diffusion de la lumière et la densité des défauts sont maintenues au minimum. La zircone stabilisée à l'yttria (YSZ) est un oxyde buffer bien connu pour d'autres oxydes fonctionnels. Parmi ses propriétés, il faut noter : la stabilité chimique, la transparence du visible au moyen-IR, un indice de réfraction autour de 2.15, ce qui rend cet oxyde fonctionnel intéressant pour le développement de guides d'ondes à faibles pertes lorsqu'il est cultivé sur un substrat à faible contraste. Après avoir démontré faibles pertes de propagation de 2 dB/cm à une longueur d'onde de 1480 nm dans des guides d'ondes de YSZ hautement monocristallins, nous avons envisagé d'explorer ce matériau pour l'amplification optique. Dans cette thèse, nous explorons le dépôt de couches minces YSZ dopées Er3+ par dépôt de couche pulsée (PLD) fournissant une luminescence en correspondance avec la bande C de la fenêtre de télécommunication (λ = 1,5 μm) et dans le domaine du visible de longueurs d'onde. La caractérisation structurelle et optique conduit à un matériau hautement optique efficace à des longueurs d'onde de 1530 nm. Après la caractérisation structurel et optique, nous avons intégré notre matériau comme cladding sur des guides d'ondes SiNx. Les pertes de propagation et l'amplification optique à 1530 nm en utilisant différentes techniques de pompage sont discutées dans cette thèse.
Language defense : Anglais

Lien visio: https://us02web.zoom.us/j/83238551183?pwd=M002Z05nU2RwUW9qMVVvem0xY3ZGUT09

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Jury members:

Khalifa AGUIR, Professeur, Aix-Marseille Université, IM2NP, Rapporteur

Ian VICKRIDGE, Directeur de recherche, CNRS, INSP, Rapporteur

Xavier FEAUGAS, Professeur, Université de La Rochelle, LaSIE, Examinateur

Gaël SATTONNAY, Professeur, Université Paris-Saclay, IJCLab, Examinateur

Olivier THOMAS, Professeur, Aix-Marseille Université, IM2NP, Examinateur

Johan MOULIN, Maître de conférences (HDR), Université Parsi-Saclay, C2N, Directeur de thèse

Alain BOSSEBOEUF, Directeur de recherche, CNRS, C2N, Co-encadrant

Thierry SAUVAGE, Ingénieur de recherche, CNRS, CEMHTI, Invité

Abstract :

Certains MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) doivent être maintenus sous vide pour conserver des performances optimales. Pour compenser les fuites, le dégazage pendant le scellement et assurer une pression inférieure à 10-2 mbar pendant la durée de vie du composant (10 ans ou plus), un matériau getter doit être intégré dans la cavité et être activé par traitement thermique. La problématique actuelle, réside dans la fragilité croissante de MEMS de plus en plus performants, impliquant que la température de soudure du capot et de l'activation du getter doit être la plus basse possible, tout en assurant les meilleures performances de sorption des gaz présents dans la cavité et dans un temps très court.

Dans ce travail de thèse, de nouveaux films minces de getter à base d’yttrium et d’éléments de transition (Ti, Zr, V) ont été étudiés. Ces matériaux ont été analysés avant et après traitements thermiques d’activation par différentes méthodes d’analyses X (XPS, DRX, EDX), électriques et par faisceau d’ions (RBS, NRA, ERDA) afin de faire le lien entre microstructure et capacité de sorption en espèces gazeuses (oxygène et hydrogène principalement) en fonction de la température. Des analyses inédites et innovantes par NRA in situ en temps réel ont permis d’étudier la diffusion et l’absorption d’oxygène en profondeur pendant l’activation getter.

Les résultats montrent que l’yttrium est un matériau getter particulièrement pertinent à basse température d’activation mais est réactif à température ambiante. L’allier à d’autres métaux permet de contrôler sa réactivité, sa température d’activation et sa capacité de sorption.

Lien visio: https://eu.bbcollab.com/guest/98451bbafcdf4971b6150eac5338c960

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Jury members :

France Le Bihan, Rapporteure, Université de Rennes 1

Gaëlle Lissorgues, Rapporteure, ESIEE Paris, Université Paris-Est

Guillaume Agnus, Examinateur, C2N, Université Paris-Saclay

Rémi Dussart, Examinateur, GREMI, Université d'Orléans

Direction de thèse

Elie Lefeuvre, Directeur de thèse, C2N, Université Paris-Saclay

Marion Woytasik, Co-encadrante, C2N, Université Paris-Saclay

Bertrand Boutaud, Co-encadrant, Président MISTIC SAS

Abstract :

L’expansion du domaine des microsystèmes pour le biomédical motive le développement de MEMS constitués matériaux biocompatibles, plaçant le titane comme candidat de premier choix. Largement employé dans le domaine médical, sa biocompatibilité et ses caractéristiques mécaniques sont bien connues. Pourtant, très peu d’investigations ont été menées à ce jour sur les procédés de microstructuration et sur l’utilisation du titane massif comme substrat pour la réalisation de microcapteurs. Les études réalisées au cours de cette thèse s’inscrivent dans le développement d’une filière technologique de rupture, pouvant, au niveau des applications, s’étendre à une vaste gamme de fonctionnalités directement intégrées (antenne RF, éléments capacitifs de filtrage, électrodes de détection, capteurs surfaciques) et de produits implantables alternatifs (capteurs en titane autonomes in vivo).

Cette thèse concerne en particulier l’étude d’un microcapteur de pression à base de titane massif pouvant être intégré à des implants médicaux tels que les stimulateurs cardiaques. La mesure de pression au sein des organes est un paramètre clinique essentiel pour le suivi de certaines pathologies telles que l’insuffisance cardiaque. L’utilisation du titane est tout particulièrement motivée par un besoin de mesure dite chronique (à long terme) pour le suivi des pathologies sévères sur des durées pouvant aller jusqu’à la dizaine d’années, exigeant ainsi le plus haut niveau de biocompatibilité.

Au cours de cette soutenance, nous exposerons les approches de modélisation développées pour ce microcapteur de pression en technologie titane, les procédés technologiques élaborés au C2N et au sein de la société MISTIC SAS pour sa fabrication, ainsi que certaines techniques spécifiques dédiées à la caractérisation des composants élémentaires et du MEMS complet. Nous montrerons que l’approche consistant à utiliser pour le substrat un matériau parfaitement biocompatible évite des étapes d’encapsulation coûteuses et encombrantes, ce qui permet en outre de préserver la sensibilité du capteur.

Lien visio: https://zoom.us/j/91866854757?pwd=RDNOVHkzUjVWWDhBZDJ1SUdqZ2FpUT09

ID de réunion : 918 6685 4757    

Code secret : Soutenance

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Jury members:

Rose-Marie SAUVAGE, DGA, Invitée

Agnès CHAILLOT, MBDA France, Invitée

Olivier MAIRE, MBDA FRANCE, Invité

Benoit CHARLOT, Universite Montpellier II, laboratoire IES, Raporteur & Examinateur

Olivier FRANCAIS, Université Gustave Eiffel, laboratoire ESIEE, Raporteur & Examinateur

Eric Labouré, Université Paris Saclay, laboratoire GeePs, Examinateur 

Louis RENAUD, Université Lyon 1, laboratoire INL, Examinateur

Abstract:

Les systèmes diphasiques à pompage capillaire sont des dispositifs efficaces de refroidissement des équipements électroniques. Ils trouvent cependant leurs limites dans le cas des applications embarquées en environnements militaires sévères du fait des accélérations importantes et des larges plages de température rencontrées. Une manière d’étendre les performances de ces boucles de refroidissement est de venir assister le pompage passif par un système de pompage actif. L’utilisation des forces Electro-Hydro-Dynamiques (EHD) dans les fluides aux propriétés diélectriques apporte à la fois une solution aux problématiques de mise en mouvement du matériau caloporteur dans ces systèmes, tout en respectant les besoins de fiabilité et de compatibilité avec les environnements propres aux applications visées.

Les travaux de cette thèse contribuent à la compréhension des phénomènes physiques prenant place au sein de tels systèmes de pompage et leur intégration au sein d’une boucle diphasique assimilable à un microsystème dédié au refroidissement des composants électroniques embarqués dans les missiles. La première partie des travaux effectués se focalise sur le développement, la conception et la caractérisation de systèmes de pompage EHD. La seconde partie se concentre sur la réalisation d’une boucle diphasique microsystème, à pompage capillaire, assistée par pompage EHD et la caractérisation thermique de cette dernière. En parallèle de cette approche, une transposition des technologies développées a été réalisée à l’échelle de la carte électronique en utilisant les procédés de fabrication des circuits imprimés.

Lien visio: https://joinfr.video.mbda-systems.com, ID : agnes.chaillot, PIN Code : 937295

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