Thèse Étude des Propriétés Optiques Non Linéaires de Semi-Conducteurs Hexagonaux pour le Développement de Sources Photoniques Quantiques Intégrées H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Charles RENARD Début de la thèse : 2027-02-02 Date limite de candidature : 2026-11-30T23:59:59 Le contrôle de la phase cristalline des semi-conducteurs constitue une approche prometteuse pour développer de nouvelles fonctionnalités optiques et photoniques. Le projet SYNOX repose sur une technologie brevetée permettant la croissance de couches minces de semi-conducteurs dans des phases hexagonales métastables, offrant des propriétés physiques distinctes de celles des phases cristallines conventionnelles.
L'objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés optiques non linéaires de ces nouveaux matériaux, en particulier l'influence de leur symétrie cristalline anisotrope sur la susceptibilité non linéaire du second ordre (2) et la biréfringence intrinsèque. Une attention particulière sera portée aux couches minces d'AlGaAs hexagonal, dont les propriétés pourraient permettre le développement de composants photoniques non linéaires ultracompacts.
Les travaux comprendront l'élaboration et l'optimisation de couches minces de semi-conducteurs hexagonaux métastables, leur caractérisation structurale et optique, ainsi que l'étude expérimentale de leurs propriétés non linéaires. Des mesures de génération de second harmonique (SHG) seront notamment réalisées afin de déterminer l'influence de l'orientation cristalline et de la polarisation sur la réponse optique des matériaux et de caractériser leur susceptibilité non linéaire.
Une partie essentielle du projet sera consacrée à l'étude de la conversion paramétrique spontanée (SPDC) dans des couches minces d'AlGaAs hexagonal d'épaisseur inférieure à la longueur d'onde optique. L'objectif est d'exploiter les propriétés intrinsèques de cette nouvelle phase cristalline pour développer des sources compactes de paires de photons corrélés, compatibles avec les technologies de photonique intégrée.
À travers une approche expérimentale associant croissance épitaxiale, science des matériaux et photonique non linéaire, cette thèse permettra d'établir de nouvelles relations entre phase cristalline, symétrie et réponse optique non linéaire. Les résultats contribueront au développement de dispositifs photoniques miniaturisés et de nouvelles sources de lumière quantique sur puce, présentant un potentiel pour les communications optiques sécurisées et les technologies photoniques quantiques. e développement de dispositifs photoniques intégrés repose sur la recherche de matériaux présentant de fortes réponses optiques non linéaires, une faible empreinte spatiale et des propriétés adaptées aux processus de conversion de fréquence et de génération de lumière quantique.
Les semi-conducteurs III-V, notamment les alliages AlGaAs, constituent des plateformes intéressantes pour la photonique non linéaire. Toutefois, leurs propriétés sont fortement liées à leur structure cristalline et aux symétries associées.
Dans ce contexte, l'ingénierie de phase cristalline représente une voie originale pour modifier les propriétés optiques intrinsèques d'un matériau sans se limiter aux compositions et structures conventionnelles.
Le projet SYNOX s'appuie sur une avancée technologique brevetée permettant la croissance de couches minces de semi-conducteurs dans des phases hexagonales métastables. La symétrie anisotrope de ces nouvelles structures pourrait favoriser une forte réponse optique non linéaire du second ordre ainsi qu'une biréfringence intrinsèque, ouvrant des perspectives pour la génération de second harmonique et la conversion paramétrique spontanée.
L'étude de ces matériaux présente un double enjeu scientifique et technologique : comprendre les relations fondamentales entre structure cristalline, symétrie et propriétés optiques, puis exploiter ces relations pour développer des dispositifs non linéaires compacts.
Le projet vise en particulier à explorer la génération de paires de photons corrélés dans des couches d'AlGaAs hexagonal d'épaisseur sub-longueur d'onde. Cette approche pourrait constituer une alternative originale aux architectures photoniques non linéaires conventionnelles et contribuer à la miniaturisation des sources de lumière quantique. L'objectif général de la thèse est de comprendre et d'exploiter les propriétés optiques non linéaires de semi-conducteurs présentant des phases cristallines hexagonales métastables, afin de développer de nouvelles fonctionnalités pour la photonique intégrée et quantique.
Les objectifs scientifiques spécifiques sont les suivants :
Élaborer et optimiser des couches minces de semi-conducteurs hexagonaux métastables, notamment à base d'AlGaAs.
Caractériser leur structure cristalline et leurs propriétés optiques afin d'établir les relations entre conditions de croissance, phase cristalline et propriétés physiques.
Étudier expérimentalement leur réponse optique non linéaire du second ordre, notamment par génération de second harmonique (SHG).
Déterminer l'influence de l'orientation cristalline, de l'anisotropie et de la polarisation optique sur la susceptibilité non linéaire (2) et la biréfringence.
Explorer la génération de paires de photons corrélés par conversion paramétrique spontanée (SPDC) dans des couches d'AlGaAs hexagonal d'épaisseur sub-longueur d'onde.
Concevoir et caractériser des démonstrateurs de composants photoniques non linéaires miniaturisés, en vue de leur intégration dans des architectures photoniques sur puce. La démarche scientifique sera principalement expérimentale et articulée autour de quatre axes complémentaires.

1. Élaboration des matériaux

Croissance épitaxiale et optimisation de couches minces de semi-conducteurs hexagonaux métastables, notamment d'AlGaAs, en étudiant l'influence des conditions d'élaboration sur la stabilisation de la phase cristalline et les propriétés des couches obtenues.

2. Caractérisation structurale et optique

Analyse de la structure cristalline, de l'orientation et de la qualité des couches minces à l'aide de techniques de caractérisation adaptées. Étude des propriétés optiques linéaires et des relations entre structure et réponse optique.

3. Caractérisation optique non linéaire

Mise en place et exploitation de mesures de génération de second harmonique (SHG), notamment en fonction de la polarisation incidente et de l'orientation cristalline. Analyse de l'anisotropie de la réponse non linéaire et détermination des propriétés associées à la susceptibilité (2).

4. Développement de démonstrateurs photoniques

Étude de la conversion paramétrique spontanée (SPDC) dans des couches minces d'AlGaAs hexagonal d'épaisseur sub-longueur d'onde. Conception, optimisation et caractérisation de composants photoniques miniaturisés exploitant les propriétés non linéaires de ces matériaux. Analyse et interprétation des résultats expérimentaux en lien avec les caractéristiques structurales des couches.

Le projet s'adresse à une personne titulaire d'un diplôme de Master 2 ou d'un diplôme équivalent en physique, science des matériaux, nanosciences, optique, photonique ou dans une discipline connexe.

Une solide formation en physique des semi-conducteurs, propriétés optiques des matériaux ou optique expérimentale est souhaitée.

Des connaissances ou une première expérience dans un ou plusieurs des domaines suivants constitueront un atout :

Physique et science des matériaux semi-conducteurs III-V.

Croissance épitaxiale et élaboration de couches minces.

Techniques de caractérisation structurale et optique.

Optique non linéaire et génération de second harmonique.

Photonique intégrée et optique quantique.

Analyse et traitement de données expérimentales.

La personne candidate devra faire preuve de rigueur scientifique, d'autonomie, de curiosité, de capacités d'analyse et d'un intérêt marqué pour la recherche expérimentale et interdisciplinaire.

Une aptitude au travail en équipe dans un environnement scientifique international et une bonne maîtrise de l'anglais scientifique sont attendues.

Le projet offre la possibilité de développer des compétences à l'interface entre croissance de matériaux, caractérisation physique et développement de dispositifs photoniques innovants.

• Gestion des données
• Anglais
• Travail en équipe
• Autonomie
• Esprit d'analyse