Optimisation topologique des performances optiques de µLED // Topologic optimization of µLED's optical performance

Les performances des micro-LEDs (µLEDs) sont fondamentales pour les micro-écrans, un domaine d’excellence du laboratoire LITE au CEA-LETI. Cependant, simuler ces composants est complexe et coûteux en calculs, en raison de la nature incohérente des sources lumineuses et des géométries impliquées. Cela limite la possibilité d’explorer efficacement des espaces de conception multi-paramètres.

Cette thèse propose de développer une méthode innovante basée sur les éléments finis pour accélérer les simulations tout en rendant possible l’utilisation de l’optimisation topologique sur ces sources incohérentes. L’objectif est de produire des designs non intuitifs maximisant les performances tout en respectant les contraintes industrielles.

Le travail se divise en trois phases :

- Développer une méthode de simulation rapide et fiable, en intégrant des approximations physiques adaptées aux sources incohérentes et en réduisant les temps de calcul d’un facteur significatif.
- Concevoir un cadre d’optimisation topologique robuste, intégrant des contraintes de fabricabilité, pour générer des designs immédiatement réalisables.
- Réaliser un prototype à base de "composants sur étagère" du laboratoire qui consiste en une gravure de motifs complexes sur une couche de diélectrique au dessus d'une µLED. Cette partie est sujette à l'intégration de la thèse dans les projets axés "Métasurfaces" du laboratoire afin de profiter d'un financement type IPCEI ou projet européen. Cette partie est optionnelle dans le projet de thèse, à moduler selon opportunités de financement d'un tel prototype.

Les résultats attendus incluent des designs optimisés pour micro-écrans offrant des performances accrues et une méthodologie généralisable à d'autres dispositifs photoniques. Les efforts consentis à développer une telle méthodologie pourront bénéficier à d'autres laboratoires du DOPT, travaillant eux aussi sur les métasurfaces.
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The performance of micro-LEDs (µLEDs) is crucial for micro-displays, a field of expertise at the LITE laboratory within CEA-LETI. However, simulating these components is complex and computationally expensive due to the incoherent nature of light sources and the involved geometries. This limits the ability to effectively explore multi-parameter design spaces.

This thesis proposes to develop an innovative finite element method to accelerate simulations and enable the use of topological optimization. The goal is to produce non-intuitive designs that maximize performance while respecting industrial constraints.

The work is divided into three phases:

- Develop a fast and reliable simulation method by incorporating appropriate physical approximations for incoherent sources and significantly reducing computation times.
- Design a robust topological optimization framework that includes fabrication constraints to generate immediately realizable designs.
- Realize such a metasurface on an existing shortloop in the laboratory. This part is optional and will be tackled only if we manage to seize an Opportunity to finance the prototype, via the inclusion of the thésis inside the "metasurface
topics" of european or IPCEI projets in the lab .

The expected results include optimized designs for micro-displays with enhanced performance and a methodology that can be applied to other photonic devices and used by other laboratories from DOPT.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Optronique (LETI)
Service : Service des Nouvelles Applications de la Photonique
Laboratoire : Laboratoire d'Intégration des Technologies Emissives
Ecole doctorale : Mathématiques, Sciences et Technologies de l’Information, Informatique (MSTII)
Directeur de thèse : BONNETIER Eric
Organisme : Université Grenoble-Alpes

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département d’Optronique (LETI)
Service : Service des Nouvelles Applications de la Photonique