Fabrication laser et sources à peigne de fréquences pour la photonique térahertz // Laser fabrication and frequency-comb sources for THz photonics

Les lasers à peigne de fréquences sont des sources lumineuses qui émettent simultanément de nombreuses fréquences optiques régulièrement espacées (« raies du peigne »), plutôt qu'une seule longueur d'onde. Dans le domaine temporel, cela correspond à un train d'impulsions ultracourtes très régulières (ou, de manière équivalente, à une émission multimode verrouillée en phase). Grâce à un espacement entre raies extrêmement stable et précisément défini, les peignes de fréquences constituent une « règle optique » reliant les fréquences optiques à des références radiofréquences (RF) avec une grande exactitude et une excellente cohérence.
Ils sont essentiels car ils permettent de nombreuses applications reposant sur une lumière multi-longueurs d'onde cohérente et stable en phase, notamment la spectroscopie et la métrologie de précision, les communications cohérentes, ainsi que la génération micro-onde à faible bruit. En photonique térahertz (THz) en particulier, les lasers à peigne sont très attractifs : lorsque deux (ou plusieurs) raies du peigne sont combinées sur une photodiode ultra-rapide, leur battement optique génère directement un signal THz dont la fréquence est fixée par l'espacement entre raies (ou par une différence de fréquences sélectionnée). Les lasers à peigne offrent ainsi une voie compacte, accordable et potentiellement intégrable pour produire un rayonnement THz cohérent, tout en fournissant des paramètres d'optimisation clairs—puissance par raie, cohérence, stabilité et largeur spectrale—afin d'améliorer les performances THz obtenues.
Ce projet de thèse vise à développer des sources laser à base de semi-conducteurs III–V—en particulier des lasers à peigne de fréquences sur substrats InP—et à les exploiter pour la génération térahertz par battement optique (photomélange). Le/la candidat(e) travaillera principalement en salle blanche à l'IEMN, en développant et en optimisant des filières de micro/nanofabrication pour la réalisation de dispositifs lasers. Un premier axe de recherche portera sur la croissance épitaxiale, la fabrication et la caractérisation de lasers à peigne à base de boîtes quantiques et de puits quantiques, en s'appuyant sur des milieux actifs développés à l'IEMN (groupe EPIPHY). Les travaux incluront le développement de process, l'amélioration du rendement et de la reproductibilité, ainsi qu'une analyse détaillée des performances optiques et électriques des composants.
Une fois optimisées, les sources laser seront intégrées avec une photodiode ultra-rapide (développée par le groupe Photonics-THz) afin de générer un rayonnement THz par photomélange de raies du peigne. Cette étape permettra d'établir des liens clairs entre les caractéristiques du peigne laser (spectre, puissance, cohérence, stabilité) et les performances THz correspondantes.
Le/la doctorant(e) bénéficiera d'une formation complète aux moyens de salle blanche de l'IEMN. Les travaux s'appuieront sur des techniques de micro/nanofabrication incluant l'épitaxie par jets moléculaires (MBE), le dépôt de diélectriques, la lithographie optique, la gravure de diélectriques, le transfert de motifs dans des hétérostructures III–V par gravure sèche, ainsi que le dépôt métallique pour la réalisation des contacts électriques. Le/la candidat(e) utilisera également un large ensemble de techniques de caractérisation pour évaluer la qualité des matériaux et les performances des dispositifs, notamment la microscopie optique, la photoluminescence, la microscopie électronique à balayage (MEB/SEM), la microscopie à force atomique (AFM), la diffraction des rayons X (DRX/XRD), complétées par la caractérisation optoélectronique des composants fabriqués. Plus globalement, ce projet s'inscrit dans les activités de recherche de l'IEMN sur les technologies d'émission lumineuse, avec des applications allant des sources laser pour les télécommunications/datacom jusqu'à la photonique THz basée sur des peignes de fréquences.
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Frequency-comb lasers are light sources that emit many evenly spaced optical frequencies (“comb lines”) at the same time, rather than a single wavelength. In the time domain, this corresponds to a train of ultrashort, highly regular pulses (or an equivalent phase-locked multimode output). Because the spacing between the lines is extremely stable and precisely defined, frequency combs provide an optical “ruler” that links optical frequencies to radio-frequency (RF) references with exceptional accuracy and coherence.
They are important because they enable a wide range of applications that rely on phase-stable multiwavelength light, including precision spectroscopy and metrology, coherent communications, and low-noise microwave generation. In THz photonics specifically, comb lasers are especially attractive: when two (or more) comb lines are mixed on a high-speed photodiode, their optical beating directly produces a THz signal whose frequency is set by the line spacing (or selected line differences). This makes frequency-comb lasers a compact, tunable, and potentially integrated route to generate coherent THz radiation, while offering clear knobs—optical power per line, coherence, stability, and spectral bandwidth—to optimize the resulting THz performance.

This PhD project aims at developing III-V semiconductor laser sources—especially frequency-comb lasers on InP substrates—and exploiting them for terahertz (THz) generation through optical beating (photomixing). The candidate will work primarily in the IEMN cleanroom, developing and optimizing micro/nanofabrication process flows for laser device realization. A first research axis will focus on the epitaxial growth, fabrication, and characterization of quantum-dot-based and quantum-well-based frequency-comb lasers using active media developed at IEMN (EPIPHY group). The work will include process development, yield and reproducibility improvement, and detailed analysis of optical and electrical device performance.


Once optimized, the laser sources will be integrated with a high-speed photodiode (developed by the Photonics-THz group) to generate THz radiation by photomixing of comb lines. This stage will establish clear links between laser-comb characteristics (spectrum, power, coherence, stability) and the resulting THz performance.

The PhD candidate will receive a comprehensive training in IEMN's cleanroom facilities. The cleanroom work will rely on process modules including molecular beam epitaxy (MBE), dielectric deposition (PECVD and/or sputtering), optical lithography, dielectric patterning by RIE, pattern transfer into MBE-grown III–V heterostructures by ICP etching, and metal deposition for electrical contacts. The candidate will use a broad set of characterization techniques to assess process outcomes, material quality, and device performance, including optical microscopy, photoluminescence, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), x-ray diffraction (XRD), profilometry, and spectroscopic ellipsometry, complemented by optoelectronic characterization of the fabricated devices. Overall, the project supports IEMN research on light-emission technologies, with applications ranging from telecom/datacom laser sources to frequency-comb-enabled THz photonics.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Lille

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Les candidat(e)s doivent être titulaires d'un Master (ou équivalent) dans un domaine pertinent et disposer d'une expérience dans au moins l'un des domaines suivants : caractérisation optique, nanofabrication ou science des matériaux. Une bonne maîtrise de l'anglais écrit et oral est également requise.
Suitable candidates should have a Master's degree (or equivalent) in a relevant field and experience in at least one of the following areas: optical characterization, nanofabrication, or materials science. Applicants should also have a good level of written and spoken English.