Imagerie magnéto-plasmonique à l'échelle nanométrique pour la réalisation de circulateur optique planaire // Magneto-Plasmonic nanoscale imaging for planar optical circulator realization

La photonique intégrée Si, InP ou GaAs est explorée pour une large gamme d'applications telles que la communication optique intégrée pour les datacom et télécommunications, la détection gaz pour l'environnement ou la cryptographie quantique. Afin de minimiser et densifier les circuits photoniques, de nombreux dispositifs optiques doivent être intégrés ensemble de manière efficace et sans diaphonie. Ceci nécessite l'intégration d'isolateurs ou des circulateurs qui permettent de contrôler la direction de propagation de la lumière et une transmission non réciproque (NR). Actuellement, les isolateurs ou circulateurs intégrés n'existent pas et leur réalisation est un défi majeur.
La transmission NR la plus efficace dans les guides d'ondes planaires est basée sur l'effet Kerr magnéto-optique transverse (TMOKE) à l'interface entre une couche de matériau magnéto-optique (MO) et un guide d'ondes. Cependant, l'effet MO reste souvent insuffisant pour permettre la réalisation de dispositif intégré efficace. Plusieurs approches d'intégration hybride dans les plateformes photoniques visent à améliorer les propriétés MO non-réciproques. Dans ce but, nous proposons une structure de dispositif particulièrement prometteuse basé sur le principe appelé magnéto-biplasmonique. Ce principe combine des modes couplés dans un guide d'ondes à fentes avec des plasmons-polaritons de surface afin d'exalter l'effet MO. Le TMOKE induit une asymétrisation des profils des modes couplés, qui dépend de la direction de propagation : l'énergie optique transportée par ces modes ne suit pas le même chemin dans les 2 sens de propagation. Nous exploitons cette propriété pour réaliser une transmission optique non réciproque.
Ce nouveau principe constitue une avancée dans ce domaine. Cependant, il n'a été décrit que théoriquement et la première démonstration expérimentale fait encore défaut. Ce concept sera développé dans le cadre du projet Horizon Europe PathfinderOpen CIRCULIGHT démarré en avril 2024 afin de réaliser un circulateur magnéto-biplasmonique.
Nous proposons un poste de doctorat qui sera financé par ce projet. L'objectif principal de la thèse est de démontrer expérimentalement l'effet magnéto-biplasmonique, en utilisant un microscope optique en champ proche (SNOM). Un SNOM commercial est actuellement disponible au C2N. Un travail de développement instrumental pour sera réalisé pour permettre la caractérisation de dispositifs guidés plasmoniques MO.
Les objectifs de la thèse sont les suivants :
low-losses interface of MO slot waveguide with monomode semiconductor (GaAs or InP membranes) waveguides
- Concevoir des guides d'ondes à fente MO avec des guides monomodes à base semi-conducteurs (membranes GaAs ou InP) avec une interface à faibles pertes et des circulateurs entièrement intégrés, en collaboration avec les partenaires européens de CIRCULIGHT. Cela inclut la compréhension du mécanisme physique qui induit l'asymétrisation des modes lors de la propagation.
- Adapter le SNOM pour observer directement l'asymétrisation des modes de propagation de la lumière et leur comportement non réciproque.
- Fabriquer des structures magnéto-biplasmoniques, et mesurer la transmission non réciproque dans un banc optique fibré. Le matériau MO sera constitué de nanoparticules de cobalt-ferrite noyées dans une matrice de silice, déposées par procédé sol-gel.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Si, InP or GaAs integrated photonics is explored for a wide range of applications like integrated optical communication for datacom and telecom, bio- or gas sensing for environment, or quantum cryptography. In order to minimize and to densify photonic circuits, numerous optical devices must be integrated together efficiently and without crosstalk. To successfully achieve this integration, light propagation direction must be fully controlled: performing integrated isolators or circulators, which both require non-reciprocal light transmission, are required but not yet available. Indeed, their realization remains a major challenge.
The most efficient non-reciprocal transmission in planar waveguides is based on Transverse Magneto-Optical Kerr effect (TMOKE) at the interface between a magneto-optical (MO) material layer and the waveguide. However, MO effect often remains perturbative and insufficient. Several hybrid integration in photonic platform approaches aim at enhancing the non-reciprocal MO properties. We have proposed and numerically demonstrated in 2021 a particularly promising device structure based on the principle, called magneto-biplasmonic. It explores the TMOKE enhanced by both the surface plasmon polaritons and coupled modes system in a slot waveguide. Here, TMOKE induces asymmetrization of the coupled modes profiles, which depends on the propagation direction: the optical energy carried by these modes doesn't follow the same path in the forward and backward directions. This property is used to realize non-reciprocal optical transmission.
This new principle brings a breakthrough in this research field: yet, it has been only theoretically described and the first experimental demonstration is still lacking. This concept will be developed within the Horizon Europe PathfinderOpen project CIRCULIGHT started in April 2024 in order to demonstrate a magneto-biplasmonic circulator.
In this global context we propose a PhD position.
The main objective is to experimentally demonstrate the magneto-biplasmonic effect, using and adapting a Scanning-Near-Field Microscope (SNOM). A commercial SNOM is available in the host team, and the setup will be further developed in order to characterize MO and plasmonic guided devices.
The specific objectives of the PhD are as follows:
- to contribute to the design of low-losses interface of MO slot waveguide with monomode semiconductor (GaAs or InP membranes) waveguides, and of the full integrated circulator, in collaboration with European CIRCULIGHT partners. This includes the understanding of the physical mechanism, which induces modes asymmetrization during propagation.
- to adapt the SNOM apparatus to directly observe the asymmetrization of the modes during light propagation and their non-reciprocal behaviour.
- to realize the experimental demonstration of magneto-biplasmonic structures, by measuring non-reciprocal transmission in a fibered bench. The MO material will be made of cobalt-ferrite nanoparticles embedded in silica matrix, deposited by sol-gel process.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/09/2025

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

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

- Créativité et proactivité dans la recherche de solutions et d'approches innovantes. - Goût pour les expériences et les simulations. - De l'enthousiasme et une forte implication dans le projet multipartenaire, de l'autonomie, une capacité à communiquer et à partager des résultats dans un environnement multidisciplinaire et multinational.
- Curiosity for novel research experiences and fields. - Creativity and pro-activity in the search for innovative solutions and approaches. - Attractivity in experiments and simulations. - Enthusiasm and strong involvement in the multi-partner project, autonomy, an ability to communicate and share results in a multidisciplinary and multinational environment.