De nature électromagnétique (comme la lumière) ou mécanique (comme le son), les ondes sont au cœur des technologies modernes, en raison de leur capacité à transmettre de l’énergie et de l’information. Leurs applications vont du traitement de l’information, de la détection, de l’imagerie, des télécommunications au transfert et à la gestion de l’énergie. L’étude et la manipulation des ondes électromagnétiques sont transdisciplinaires et présentes dans toutes les facultés de l’EPFL.

La photonique, ou « science de la lumière », va de pair avec de nombreuses nouvelles technologies et matériaux. Elle est à la base de toute technique d’émission, de détection, de modulation, de transmission, d’amplification et de conversion de matériaux et de signaux optiques. Elle aide les scientifiques à réaliser des images avec une résolution optimisée, à fabriquer des dispositifs permettant aux photons d’interroger et de détecter des molécules, des systèmes vivants et mécaniques avec une sensibilité sans précédent, à détecter des quantités physiques sans contact et de manière non destructive, à construire des systèmes permettant de calculer avec une faible puissance et une vitesse plus rapide, à construire des lasers intégrés de haute performance en utilisant des puces photoniques et des fibres optiques, à traiter des matériaux pour produire des structures 3D par ajout de matériau ou de fines micro-nano-structures par enlèvement de matériau, à construire des cellules solaires de haute performance et à développer les télécommunications de demain.

Les activités dans ce domaine couvrent l’ensemble du rayon électromagnétique, y compris les ondes radio et les ondes millimétriques, par exemple pour développer des matériaux structurés, des dispositifs et des surfaces permettant d’émettre, de manipuler ou de détecter les signaux micro-ondes utilisés dans les nouvelles générations de systèmes de communication, ainsi que pour garantir la compatibilité électromagnétique et la protection contre la foudre.

Outre l’éventail extrêmement large de domaines et d’applications, la photonique à l’IEM vise particulièrement à faire progresser le développement de systèmes compacts et robustes en tirant parti des capacités de micro fabrication et du développement de nouveaux matériaux pour les systèmes intégrés ou les fibres optiques.

Principaux thèmes de recherche

• Optique à l’échelle nanométrique, plasmonique, métamatériaux : modélisation, nanofabrication et caractérisation optique de nanostructures métalliques/diélectriques et de leurs agrégats pour étudier les nouvelles techniques de biodétection, la plasmonique non linéaire, les métamatériaux optiques, ainsi que les propriétés fondamentales des nanostructures plasmoniques.
• Photonique intégrée : simulation, conception, fabrication de dispositifs quantiques hybrides à l’échelle nanométrique composés de résonateurs supraconducteurs, de résonateurs nanométriques et micromécaniques, de puces photoniques non linéaires intégrées dans divers matériaux tels que le niobate de lithium, le nitrure de silicium et le silicium.
• Détecteurs et capteurs d’images : dispositifs à avalanche de photons uniques (SPAD) et techniques d’optimisation de la conception pour la détection optique 2D/3D à grande vitesse, architectures de traitement intégrées et reconfigurables.
• Systèmes optiques quantiques : génération de lumière et détection pour la communication quantique sécurisée, l’imagerie quantique et les applications d’informatique quantique distribuée.
• Systèmes d’imagerie : imagerie computationnelle, algorithmes, simulation, expériences sur la mise en forme numérique du front d’onde pour l’imagerie dans des environnements difficiles avec pertes, bruyants ou diffusants, reconstruction tomographique optique, inspection de la qualité sans contact à l’aide d’effets optomécaniques.
• Matériaux nano-semi-conducteurs 2D : matériaux bidimensionnels tels que les monocouches de dichalcogénures métalliques. Nouveaux procédés, synthèse pour la préparation de silicium en couche mince, de silicium microcristallin et de nanostructures semi-conductrices pour la science quantique et la récupération d’énergie renouvelable. Intégration de ces matériaux dans des dispositifs dotés de fonctionnalités avancées.
• Systèmes à fibres : détection de quantités physiques sans contact et de manière distribuée, lasers à fibres infrarouges, imagerie et diffusion contrôlée de la lumière avec des fibres monomodes et multimodes pour obtenir des informations sans contact à distance.
• Systèmes de traitement laser : structuration des matériaux en 2D / 3D avec des polymères, des céramiques, du verre par des lasers au moyen de la transformation, de la soustraction et de l’ajout de matériaux pour créer des systèmes fonctionnels.
• Compatibilité électromagnétique (CEM) : électromagnétisme computationnel, transitoires dans les systèmes électriques, CEM dans les systèmes spatiaux et de transport.
• Foudre : physique de la foudre, modélisation, caractérisation, détection et localisation, protection.
• Inversion du temps : théorie de l’inversion du temps, application à la localisation des sources.
• Antennes et propagation dans les tissus biologiques : étude des liaisons sans fil avec des implants corporels
• Métamatériaux et métasurfaces acoustiques et électromagnétiques : structuration des matériaux et des surfaces pour obtenir des propriétés spécifiques, manipuler les ondes à des échelles inférieures à la longueur d’onde et améliorer les interactions onde-matière.