SESAM (miroirs absorbants saturables) contrôlés électriquement et par polarisation pour peignes de fréquences à lasers à fibre // Electrically- and polarization-controlled SESAMs (saturable absorber mirrors) for fiber-laser frequency combs

Objectif : L'objectif du projet de thèse est de développer des miroirs absorbants saturables (SESAM) non linéaires contrôlés électriquement, basés sur des transitions inter-sous-bandes dans des hétérostructures de semi-conducteurs III-V, et de les utiliser pour générer et contrôler des peignes de fréquences produits par des lasers à fibre récemment développés, couvrant la première fenêtre de transparence atmosphérique.

Vision à long terme : Cette action de recherche vise, à terme, à développer des lasers compacts à verrouillage de modes passif, émettant des impulsions picosecondes dans l'infrarouge moyen (3-12 um), grâce à de nouveaux SESAM à semi-conducteurs pour l'IR moyen. Par « lasers compacts », on entend les lasers à fibre ou les lasers à semi-conducteurs tels que les lasers à cascade interbande (ICL) ou les lasers à cascade quantique (QCL).

Contexte scientifique :
Les applications basées sur le rayonnement infrarouge moyen (MIR) ont connu des progrès significatifs ces dernières années, grâce aux avancées scientifiques et technologiques, ainsi qu'à la diversité des applications possibles. En particulier, la génération de peignes de fréquences à partir de sources compactes constitue un enjeu majeur. Outre les QCL et les ICL, les lasers à fibre émergent comme des sources laser prometteuses pour la gamme 3-5 µm du spectre MIR. Grâce à leur large spectre de gain et à leurs puissances de sortie élevées, ils sont idéaux pour générer des peignes de fréquences modulés en amplitude.

Projet :
Le projet vise à générer, contrôler et stabiliser des peignes de fréquences dans l'IRM à l'aide de lasers à fibre de table, en s'appuyant sur des SESAM dont les performances (intensités de saturation, pertes non saturables, contrôle de la polarisation et électrique, etc.) sont maîtrisées. Il inclut également le développement d'applications préliminaires.
Ce travail s'appuie sur nos résultats récents, qui ont démontré comment la saturation de l'absorption peut être optimisée si le système fonctionne en régime de couplage fort lumière-matière. Nous avons validé le concept, et des applications à des lasers à fibre à 3.5 µm ont déjà montré des indications préliminaires de régime impulsionnel.
L'élément clé est que, dans le régime de couplage fort, le système est gouverné par des états couplés lumière-matière appelés polaritons : leur vitesse intrinsèque et leurs non-linéarités accrues en font une plateforme idéale pour implémenter des dispositifs ultra-rapides pour l'IRM, ce qui constitue une thématique centrale de l'équipe d'accueil.

Déroulé du travail :
Vous vous familiariserez d'abord avec les systèmes laser cibles (lasers à fibre, en collaboration avec le laboratoire CORIA/CNRS). Ensuite, vous vous concentrerez sur le développement et la validation de SESAMs aux performances adaptées. Les différentes figures de mérite des dispositifs (fluence de saturation, pertes non saturables, vitesse, etc.) seront optimisées.
Cela impliquera des simulations numériques quantiques et électromagnétiques pour concevoir la région active semi-conductrice (conception quantique) et les réseaux de microcavités constituant les miroirs SESAM (conception électromagnétique). L'équipe d'accueil formera le ou la candidat(e) retenu(e) à ces activités, ainsi qu'aux techniques établies de micro-fabrication et aux méthodes expérimentales dans la gamme spectrale de l'IRM.

Par la suite, le système laser + SESAM sera mis en œuvre pour obtenir un verrouillage de modes, et des applications associées (comme la spectroscopie à double peigne) seront explorées. Des efforts seront également consacrés à la mise en place d'outils et de bancs de mesure pour la caractérisation des peignes de fréquences dans l'IRM. Ces outils seront également partagés avec d'autres axes de recherche de l'équipe.
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The goal of the PhD project is to develop non-linear electrically-controlled SESAMs (saturable absorption mirrors) based on intersubband transitions in III-V semiconductor heterostructures, and to use them to generate and control frequency combs generated by recently developed fiber-lasers covering the first atmospheric transparency window.
The long-term vision of this research action is to develop self-starting passively mode-locked “compact” lasers with ps pulses for the mid-IR (3-12 um), enabled by novel mid-IR semiconductor saturable absorption mirrors (SESAM). Compact lasers mean fiber lasers, or semiconductor lasers such as interband (ICL) or quantum cascade lasers (QCL).

Scientific project: Applications based on mid-IR radiation have progressed in recent years, due to scientific and technological advances, and because of many possible applications. In particular, the generation of frequency combs with compact sources is a key aspect. Beside QCLs and ICLs, fiber-lasers are emerging as very promising lasers sources for the 3-5 um range of the mid-IR spectrum. They are ideal for generating amplitude modulated frequency combs, thanks to their large gain spectrum and elevated output powers.

The project aims at generating, controlling and stabilizing mid-IR frequency combs with tabletop fiber lasers, relying on SESAMs with controllable figures of merit (saturation intensities, non-saturable losses, polarization and electrical control…). And also developing initial applications.

The activity builds on our recent results that showed how absorption saturation can be engineered if the system operates in the strong light-matter coupling regime. We have provided proof of the validity of the concept, and application to fiber lasers at 3.5 um have already shown initial indications of pulsed regime.
The key is that in the strong coupling regime, the system is governed by coupled light-matter states called polaritons: their intrinsic speed and enhanced non-linearities make them an ideal platform to implement ultra-fast devices for the mid-IR, that is an underlying research thrust in the Host Team.

You will first familiarize with the target laser systems (fiber-lasers in collaboration with CORIA Lab/CNRS). After this you will focus on developing and validating SESAMs with suitable figures of merits. In particular, the various figures of merit of the devices (saturation fluence, non-saturable losses, speed…) will be carefully engineered. This will involve careful quantum and electromagnetic numerical simulations, in order to design the semiconductor active region (quantum design) and the micro-cavity arrays that constitute the SESAM mirrors (electromagnetic design). The host team will train the successful candidate in these activities, as well as in well-established micro-fabrication processing techniques and experimental techniques in the mid-infrared spectral range.
Then the laser + SESAM system will be implemented to achieve mode-locking, and related applications (dual comb spectroscopy for instance) will be explored. Efforts will be also devoted to the implementation of tools and measurement benches for frequency combs characterization in the mid-infrared. Such tools will be also shared with other research lines in the team.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Europe - ERC (European Research Council)*Programme pour normalien ENS Paris-Saclay

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Le travail est de nature expérimentale, mais avec une part importante dédiée aux simulations quantiques et électromagnétiques pour la conception des dispositifs. Le ou la candidat(e) retenu(e) devra posséder des connaissances de base en optique, électromagnétisme et semi-conducteurs, et manifester un intérêt pour le travail expérimental.
The work is experimental, but with an important part devoted to quantum/ electromagnetic simulations for device design. The successful applicant will have basic knowledge in optics and electromagnetics, semiconductors, and will have interest for experimental work.