Capteur photonique à base de métasurfaces pour la biodétection // Nanophotonic sensors for bio-detection

Les attentes de cette thèse sont de proposer et de fabriquer des transducteurs sensibles en explorant de nouveaux concepts en nanophotoniques. Nous espérons ainsi démontrer des capteurs photoniques dont la limite de détection dépasse les limites actuelles. Le (la) doctorant(e) sera chargé(e) de concevoir, de fabriquer et de tester un transducteur photonique sensible par une méthode d'interrogation en phase et en intensité pour des applications en bio-détection. Il s'agira d'explorer par du design photonique et des simulations numériques les métasurfaces les plus sensibles possibles. Deux pistes seront explorées. Premièrement, des structures photoniques possédant des facteurs de qualité élevés tel que les structures BIC (Bound states in the continuum) ou quasi-BIC. La robustesse de la mesure capteur va aussi être explorée en privilégiant des structures moins sensibles à l'angle d'excitation : les structures photoniques dites « à bandes plates » seront de bons candidats. La seconde piste consiste à exploiter des modes optiques qui présentent des singularités de phase d'ordre élevé (charge topologique). Nous souhaitons ainsi vérifier la conjecture de l'augmentation de la sensibilité en phase avec la charge topologique. Nous vérifierons numériquement cette idée originale afin d'abaisser la limite de détection. L'étude de l'effet de la phase sur les propriétés de capteur des métasurfaces notamment à partir de modèles théoriques développés au Laboratoire [2,3,4] sera privilégiée. Cette approche est assez récente dans le domaine de la nanophotonique.
Suivant l'issue de ces simulations numériques, l'une des pistes sera choisie et le (la) doctorant(e) sera amené(e) à fabriquer ces structures photoniques par les techniques de micro et nano-fabrication en salle blanche.
A la suite de la fabrication, la fonction capteur sera mesurée à partir de solutions tests dont l'indice de réfraction est contrôlé. Pour cela la réponse optique des métasurfaces sera caractérisée. La variation de la réflectivité en phase et en intensité en fonction de la variation de l'indice de réfraction de la solution sera étudiée. La sensibilité du capteur sera ainsi vérifiée ainsi que la limite de détection atteinte. Une nouvelle représentation de la mesure capteur sera aussi explorée (représentation en complexe du signal) avec comme objectif d'augmenter la dynamique de la mesure en phase.
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The aim of this thesis is to propose and manufacture sensitive transducers by exploring new concepts in nanophotonics. We hope to demonstrate photonic sensors with detection limits that exceed current limits. The doctoral student will be responsible for designing, manufacturing, and testing a sensitive photonic transducer using a phase and intensity interrogation method for biosensing applications. This will involve exploring the most sensitive metasurfaces possible through photonic design and numerical simulations. Two avenues will be explored. First, photonic structures with high quality factors such as BIC (Bound states in the continuum) or quasi-BIC structures. The robustness of the sensor measurement will also be explored by favouring structures that are less sensitive to the excitation angle: so-called “flat band” photonic structures will be good candidates. The second avenue consists of exploiting optical modes that exhibit high-order phase singularities (topological charge). We thus wish to verify the conjecture that sensitivity increases in phase with topological charge. We will numerically verify this original idea in order to lower the detection limit. Priority will be given to studying the effect of phase on the sensor properties of metasurfaces, in particular using theoretical models developed at the Laboratory [2,3,4]. This approach is fairly recent in the field of nanophotonics.
Depending on the results from these numerical simulations, one of the photonic design will be chosen and the doctoral student will be in charge of the fabrication of these photonic structures using micro- and nano-fabrication techniques in clean room.
Following fabrication, the sensor function will be measured using test solutions with a controlled refractive index. To do this, the optical response of the metasurfaces will be characterized. The variation in phase and intensity reflectivity as a function of the variation in the refractive index of the solution will be studied. The sensitivity of the sensor will thus be verified, as well as the detection limit achieved. A new representation of the sensor measurement will also be explored (complex signal representation) with the aim of increasing the dynamics of the phase measurement.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://inl.cnrs.fr/capteurs-et-biophotonique/

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

Concours pour un contrat doctoral

INSA Lyon

160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon

Le/la candidat/e doit avoir des bases solides en nanophotonique et/ou en optique. Le (la) candidat(e) sera intéressé(e) par la nanophotonique et les nanotechnologies avec un goût pour les simulations numériques, le travail expérimental et technologique.
The candidate should have a solid background in nanophotonics and/or optics. The candidate will be interested in nanophotonics and nanotechnologies, with a keen interest in numerical simulations and experimental and technological works.