Thèse Développement d'Architectures Avancées de Métasurfaces Optiques pour des Applications à Large Bande Spectrale H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire Charles Fabry Direction de la thèse : Christophe SAUVAN ORCID 0000000283609254 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Cette thèse porte sur les métasurfaces optiques à large bande spectrale et l'étude des architectures de nano éléments permettant d'enrichir les degrés de liberté de conception afin de conserver des performances optiques élevées sur une large plage de longueurs d'onde, ou sur plusieurs longueurs d'onde discrètes. Une métasurface repose sur des mécanismes de diffraction et de contrôle local de la phase, et sa conception est généralement optimisée pour une longueur d'onde unique. Dans les architectures classiques, la phase introduite par chaque nano élément est reliée à ses dimensions géométriques, par exemple son diamètre dans le cas d'éléments circulaires, pour une longueur d'onde donnée. Toute variation de la longueur d'onde en fonctionnement peut alors dégrader significativement les performances optiques attendues. Les métasurfaces optiques sont donc particulièrement adaptées aux applications utilisant des sources monochromatiques, telles que les lasers. Toutefois, de nombreuses applications nécessitent un fonctionnement élargi en spectre. C'est notamment le cas des systèmes éclairés par LED, dont le spectre d'émission s'étend typiquement sur une centaine de nanomètres, des communications optiques, qui mobilisent plusieurs longueurs d'onde dans une même fibre et requièrent des composants de couplage multi-longueurs d'onde, ainsi que des applications de miniaturisation visant à remplacer des lentilles réfractives dans le visible par des métalentilles plus compactes.
L'objectif de cette thèse est d'identifier, concevoir, simuler et expérimenter des architectures de métasurfaces capables d'offrir des degrés de liberté supplémentaires pour une opération sur large bande, tout en restant compatibles avec les procédés et outils de fabrication disponibles sur les lignes de production de STMicroelectronics. Plusieurs approches ont été proposées dans la littérature - métasurfaces empilées, géométries multiples, réseaux irréguliers, nano éléments à hauteur variable, etc. - mais aucune n'a, à ce jour, donné lieu à une solution industrialisée répondant pleinement aux performances requises par les cas d'usage visés.
En s'appuyant sur les technologies de fabrication de métasurfaces optiques disponibles sur le site STMicroelectronics de Crolles, l'étudiant(e) mènera des études par simulation numérique, puis expérimentera différentes architectures compatibles afin de fabriquer des métasurfaces optiques large bande et d'en caractériser les performances optiques. Ce premier démonstrateur permettra d'évaluer les architectures étudiées et constituera une base pour définir la feuille de route technologique vers le développement et l'industrialisation de métasurfaces optiques à large bande spectrale. Les métasurfaces optiques permettent la réalisation de composants plats, compacts et hautement intégrables, capables d'assurer des fonctions avancées de focalisation, de couplage et de mise en forme du front d'onde. Dans le cadre des roadmaps ST, des technologies développées en interne adressent déjà des fonctions optiques pour des applications dans le proche infra-rouge (NIR), notamment pour les modules TOF (Time of Flight) et Face ID (reconnaissance faciale). L'évolution des besoins applicatifs impose désormais de franchir un nouveau cap : développer des métasurfaces dites à large bande (« broadband »), ou achromatiques, performantes sur des bandes spectrales élargies, avec un niveau de rendement, de robustesse et de fabricabilité compatible avec une industrialisation à grande échelle.
La littérature montre que les démonstrations les plus avancées reposent sur l'ajout de degrés de liberté architecturaux, tels que l'empilement de métasurfaces ou l'utilisation de méta-atomes avec une géométrie complexe (multi-hauteurs, multi-formes, ou structures anisotropes). Néanmoins, ces solutions restent le plus souvent à l'état de preuve de concept académique et n'ont pas encore été transposées dans l'environnement industriel contraint de la microélectronique. La présente thèse vise donc à combler cet écart en développant des architectures large bande à la fois performantes et compatibles avec des briques procédés industrielles.
L'objectif de cette thèse est d'identifier, concevoir et expérimenter des architectures de métasurfaces capables d'offrir des degrés de liberté supplémentaires pour une opération sur large bande, tout en restant compatibles avec les procédés et outils de fabrication disponibles sur les lignes de production de STMicroelectronics. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre STMicroelectronics et l'Institut d'Optique Graduatre School.

Master en optique/photonique
Master en physique