Thesis investigates the emission and nonlinear optical properties of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) integrated with silicon-based photonic nanostructures. The research focuses on the integration of carbon nanotubes with silicon photonics platforms to realize active and nonlinear optical functionalities for future integrated photonic systems. The thesis reviews the synthesis, deposition, optical characterization, and device-level integration of SWCNTs, with particular emphasis on photoluminescence enhancement and nonlinear optical effects.

Members of jury :

• Zhipei Sun Professor, Aalto University
• Etienne Gaufrès CNRS Researcher, LP2N
• Samuel Serna Associate Professor, Bridgewater State University
• Alfredo De Rossi Research Engineer, Thales TRT
• Arianna Filoramo Research Engineer, CEA Saclay
• Nicolas Dubreil Professor, LP2N

Figure 1. (a) Photoluminescence enhancement setup (b) Schematic of fabricated device (c) SEM image of dielectrophoresis deposited carbon nanotubes

Ultrafast lasers revolutionized photonics by providing high peak intensities and pulse durations in the picosecond to femtosecond ranges. Passive mode-locking is the leading technique for generating short pulses, relying on saturable absorbers—nonlinear optical elements with intensity-dependent absorption. While semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) are well-established for visible and near-infrared frequencies, a compact mid-infrared equivalent is lacking at longer wavelengths (λ > 3 µm). This thesis work proposes a novel mid-infrared SESAM concept based on the strong light-matter coupling between intersubband transitions in III-V semiconductor quantum wells and the resonant mode of metal-metal microcavities. Leveraging the strong field confinement in these structures, the saturation intensity of the intersubband transition is lowered to 10–20 kW cm−2, a level accessible by quantum (or interband) cascade lasers. We implemented a predictive tool based on coupled-mode theory to design the main figures-of-merit of a SESAM, such as modulation depth, non-saturable losses, low-intensity reflectivity and saturation intensity, exploiting both the sample geometry and the active region material. Time-domain pump–probe measurements revealed ultrafast decay times for these SESAMs of approximately 2 ps. These findings open the route towards applications with broad-gain laser sources such as mid-infrared fiber lasers, aiming to demonstrate self-starting passive mode-locking.

Members of jury :

• Maria AMANTI, Rapporteur & Examinatrice, Maîtresse de conference (HDR), MPQ Paris

• Sukhdeep DHILLON, Rapporteur & Examinateur, Directeur de recherche (HDR), LPENS Paris

• Aloyse DEGIRON, Examinateur, Directeur de recherche (HDR), MPQ Paris

• Virginie TRINITÉ, Examinatrice, Docteure Thales Palaiseau

Fig. The intersubband transition of a III-V semiconductor quantum well is embedded in an array of metal-metal microcavity resonators. The optical response of the sample is measured under low intensity - showing the appearance of intersubband polaritons in strong coupling - and high intensity - showing the absorption saturation of the intersubband transition. Pumping at the upper polariton frequency, the reflectivity of the device is measured varying the intensity of a quantum cascade laser. The result is the optical response of a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) tunable in the whole mid-infrared.

Les phases hexagonales des semi-conducteurs du groupe IV présentent des propriétés électroniques et optiques remarquables, notamment l’apparition d’une bande interdite directe dans le germanium 2H et une émission infrarouge moyen modulable dans les alliages SiₓGe₁₋ₓ. Ces caractéristiques ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement de dispositifs optoélectroniques intégrés et d’interfaces spin–photon dans le cadre des technologies quantiques. Toutefois, la croissance contrôlée de nanofils SiGe en phase hexagonale directement sur des substrats massifs demeure un défi majeur, les approches conventionnelles
par croissance vapeur–liquide–solide (VLS) favorisant la phase cubique stable. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen ONCHIPS et vise à développer des stratégies de
croissance permettant la stabilisation de nanofils de Ge et de SiGe de phase hexagonale orientés selon ⟨1-100⟩ sur des substrats hexagonaux m-plane (1-100). L’approche repose sur l’épitaxie par évaporation physique sous ultra-haut vide (UHV-PVE) et sur l’utilisation de catalyseurs à base d’or. En l’absence de GaAs wurtzite massif, des substrats hexagonaux II–VI tels que le
CdS-2H et le ZnS-4H ont été étudiés. Une stratégie alternative intégrant une couche tampon de GaAs a également été développée afin de fournir un gabarit cristallographique adapté. Les
mécanismes de démouillage du catalyseur Au et les paramètres de croissance ont été analysés
de manière systématique afin d’optimiser la formation de nanofils verticaux en phase hexagonale 4H de Si, de Ge et d’alliages Ge/SiₓGe₁₋ₓ, avec des compositions visées respectivement de x ≈ 0,55 et x ≈ 0,80. Les analyses structurales mettent en évidence le rôle
déterminant des énergies interfaciales, de la dynamique de la goutte catalytique et de l’orientation cristallographique dans la sélection de phase, ainsi que dans la transition entre régimes de croissance axiale et non axiale. Ce travail établit des lignes directrices pour la synthèse contrôlée de nanofils de SiGe en phase hexagonale sur substrats massifs et constitue une brique matériau essentielle pour la réalisation future de boîtes quantiques optiquement actives intégrées dans des architectures compatibles avec les dispositifs quantiques intégrés.

Composition du jury :
Rapporteurs :
José Pénuélas, MCF, INL Lyon – INSA
Caroline Bonafos, DR, CEMES Toulouse

Examinateurs :
Blandine Alloing, CR, CRHEA – Sophia Antipolis
Gilles Patriarche, DR, C2N
Edith Bellet, Ingénieure CEA (équivalent DR)

Invité :
Vincent Sallet, CR, GEMAC, Université Paris-Saclay

Approche électromagnétique radiofréquence inductive pour la caractérisation diélectrique sans contact des tissus biologiques : vers le développement d’un dispositif intégré pour le suivi en continu de grandeurs physiologiques

Cette thèse présente une technique innovante de caractérisation électromagnétique radiofréquence (RF) sans contact des tissus biologiques basée sur des capteurs inductifs multifréquences. Elle repose sur l’utilisation de multi-résonateurs passifs, planaires et souples, qui interagissent par couplage inductif avec le milieu investigué, pour en suivre les propriétés diélectriques complexes, représentatives de son état physiologique. Une étude des performances a permis d’identifier ses domaines de validité, et d’évaluer sa sensibilité aux variations spatiales et temporelles des milieux investigués. Des travaux sur des milieux réels ont mis en évidence le fort potentiel applicatif de cette approche pour la caractérisation physiologique non invasive en santé. Enfin, l’intégration du capteur dans un environnement microfluidique a été explorée en vue d’applications sur des tissus vivants ou en culture, et le suivi multimodal combinant mesures RF et analyses complémentaires.

Mots-Clefs : Capteur inductif radiofréquence, caractérisation non invasive, multifréquence, propriétés diélectriques, tissus biologiques