Source OPTO-THz à Multiples Peignes de fréquences basée sur une nanotechnologie à semiconducteur III-V pour applications agroenvironnement, télécoms – Université de Montpellier

Description

Toute lumière a une structure, mais ce n’est que récemment que le recherche visant à la contrôler dans tous ses degrés de liberté et ses dimensions ou observables (espace 3D |k> , temps |z>, polarisation du champ |E>) est apparue, alimentant des avancées fondamentales et des applications. Malgré le développement intensif des concepts et des instruments, pendant longtemps, la science de l’optique et des Hyperfréquences fonctionnait avec un ensemble plutôt limité de modèles de champ traditionnels. Cependant, l’impression générale est que l’optique et les hyperfréquences traitent – presque exclusivement – avec des ondes planes, des rayons, des sources ponctuelles et des fronts d’onde lisses. La situation a changé récemment lorsque les idées de « lumière structurée » ont occupé des positions de premier plan dans la recherche. Avec le développement rapide des technologies associées (nanotechnologies), la nécessité de la formation et de l’étude des champs électromagnétiques avec des inhomogénéités ou singularités de l’amplitude, de la phase, de la polarisation et d’autres paramètres, sont devenues évidentes. La génération directe et contrôlée d’états de photon cohérents puissants dans le spectre proche-IR et GHz-THz présentant une structuration 3D spatio-temporelle |k> |z> et de l’état de polarisation du champ |E>, représente un défi physique et technologique à l’heure actuelle. De telles sources photoniques au sens large du spectre à capacité d’intégration couvrent un large panel d’intérêts fondamental, et applicatif sociétal : capteurs de vitesse de co-dimension 2D pour l’avionique, LIDAR/RADAR, télécoms de haute dimensionnalité à haut débit, spectroscopie, microscopie sub-diffraction et pinces optiques pour la biophysique, spintronic, physique quantique… Parmi les verrous qui limitent les potentielles applications de ces ondes électromagnétiques (EM) dans le domaine optique et Hyper (GHz-THz), le développement de sources cohérentes fonctionnelles – accordables sur les observables – à multiples peignes de fréquences à bas coût et performantes reste un challenge à part entière. L’extension de ces propriétés de structuration du champ EM dans le domaine hyperfréquence GHz-THz pour applications systèmes, relève actuellement du défi technologique et physique avec une forte demande sociétale. En effet ce projet répond à des enjeux qui relèvent de la souveraineté nationale (PEPR Electronique) sur le plan de la défense, de l’aéronautique, du spatial et des communications. Il s’inscrit, en outre, directement dans les révolutions numérique et quantique tout en s’attachant à apporter des réponses à la réduction des dépenses énergétiques. Les peignes de fréquence optique désignent des champs lumineux constitués d’une série discrète de composants spectraux (ou couleurs) uniformément espacés qui maintiennent une cohérence élevée sur toute la bande passante avec un bruit ultra-faible. De tels peignes ont trouvé des applications dans divers domaines, notamment la spectroscopie optique de haute précision, la génération de formes d’onde optiques arbitraires et les communications optiques cohérentes ultra-large bande. Les verrous clefs à franchir et les expertises à développer sont principalement centrés sur deux composants optoélectroniques tous deux basés sur les nanotechnologies à semi-conducteurs III-V : nouvelle source photonique laser proche-IR structurée 3D émettant de multiples peignes de fréquences GHz cohérents au sein du même composant laser (système multiplexés spatialement, à structures spatiales non-linéaires); photo-mélangeur opto-hyper structuré 3D de basé sur une antenne photoconductrice plasmonique. Ce travail s’attaque à des domaines de recherche et d’applications à l’état de l’art, afin de se positionner an tant que leader à l’échelle internationale (PEPR Electronique; ANRs SPATIOTERA, PICOTE, KOGIT Internationale; collaborations C2N RENATECH, IEMN, INPHYNI, LP2N, UCLA US, Univ. Southampton UK, Univ. Munster DE, UIB ES, INRAE).

Compétences requises

Master 2 dans les domaines de la physique, électronique, optique, laser, matériaux ou tout autre domaine associé. Les candidats devront présenter un fort intérêt pour la physique des matériaux à semi-conducteurs et des nanotechnologies associées, en physique des lasers et en optique ondulatoire et non-linéaire, ainsi que des compétences en science expérimentale. Compte tenu du large domaine de compétences adressé par ce sujet, la capacité à travailler en équipe et l’esprit d’initiative sont essentiels.

Bibliographie

[1] N. Vigne et al., États originaux de la lumière par structuration 3D de l’émission D’un laser à Métasurface », Photoniques, July 2021, DOI: 10.1051/photon/202110946. N. Vigne, « 3D Structured coherent light state emitted by a self imaging laser cavity based on semiconductor VECSEL technology. », thèse de Doctorat 2022, Electronique, www.theses.fr/2022UMONS077
[2] MS Seghilani, M Myara, M Sellahi, L Legratiet, I Sagnes, G Beaudoin, P. Lalanne, A. Garnache.” Vortex Laser based on III-V semiconductor metasurface: direct generation of coherent Laguerre-Gauss modes carrying controlled orbital angular momentum”, Scientific Reports, 6 (2016) 38156
[3] S. Blin, R. Paquet, M. Myara, B. Chomet, L. Legratiet, M. Sellahi, G.Beaudoin, I. Sagnes, G. Ducournau, P. Latzel, J-F. Lampin, A. Garnache, “Coherent and Tunable THz Emission Driven by an integrated III–V Semiconductor Laser”, IEEE Journ. Select. Topics In Quant. Elect., 23 (2017), pp.1500511
[patent1] A. Garnache, M. Seghilani, M. Myara, M. Sellahi, I. Sagnes, L. Legratiet, P. Lalanne, “Laser device with a beam carrying controlled orbital angular momentum”, WO 2016096893 A1 (2016)
[patent2] Arnaud Garnache, Mikhael Myara, Stéphane Blin, Isabelle Sagnes, Grégoire Beaudoin, et al.. Dual-frequency vertical-external-cavity surface-emitting laser device for THz generation and method for generating THz. United States, Patent n° : US 10,141,718 B2. (2018)
[4] M. Sellahi, M. Myara, G. Beaudoin, I. Sagnes, and A. Garnache, “Highly coherent modeless broadband semiconductor laser”,
Optics Letters, 40 (2015), pp. 4301-4304
[5] A Bartolo, TG Seidel, N Vigne, A Garnache, G Beaudoin, I Sagnes, M Giudici, J Javaloyes, SV Gurevich, M Marconi, “Manipulation of temporal localized structures in a vertical external-cavity surface-emitting laser with optical feedback”, Optics Letters, 46, (2021), pp 1109-1112. “Spatio-temporally reconfigurable light in degenerate laser cavities”, Optica 2023. https://doi.org/10.1364/PRJ.495892
[6] N. Vigne, A. Bartolo, G. Beaudoin, K. Pantzas, M. Marconi, et al.. « Spatially Localized Structures in a Self-Imaging Semiconductor Laser Cavity: Diffraction and Complex Non-linearity Management ». 2023 Conference on Lasers and Electro−Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe−EQEC). DOI: 10.1109/CLEO/Europe-EQEC57999.2023.10232525
[7] Chomet Baptiste, Blin Stéphane, Beaudoin Grégoire, Pantzas Konstantinos, Sagnes Isabelle, Denet Stéphane, Garnache Arnaud, « Spontaneous mode locking of a multimode semiconductor laser under continuous wave operation », Frontiers in Photonics, 4 (2023) DOI=10.3389/fphot.2023.1160251. Chomet Baptiste, Nathan Vigne, Beaudoin Grégoire, Pantzas Konstantinos, Blin Stéphane , Sagnes Isabelle, Denet Stéphane, Garnache Arnaud, « Non-linear dynamics of multimode semiconductor lasers: dispersion based phase instability and route to single frequency operation », Optics Letters 48 (2023) https://doi.org/10.1364/OL.482138
[8] S. Blin, “THz photonics: focus on THz wave generation using structured laser light & THz amplitude modulation driven by laser excitation”, Invited talk JNOG 2023. https://www.sfoptique.org/pages/sfo/colloques-de-la-sfo/jnog-lyon-2023/jnog-2023-soumission.html

Mots clés

semiconductor laser, nanotechnologie III-V, optique non linéraire, THz, peignes de fréquence, agroenvironnement