Dans une logique de déploiement national, l’Institut décide d’implanter une partie de ses enseignements sur un nouveau site de l’Institut, à Saint-Étienne. Il est prévu qu’un cinquième de la promotion aille, à partir de septembre 2003, en troisième année, suivre une option centrée sur la diffusion de l’optique dans les milieux industriels et plus particulièrement sur la chaîne de l’image (de l’objet au traitement de l’image) et l’apparence. Des recherches en relation directe avec le milieu industriel local accompagnent cette formation à Saint-Étienne.
Les locaux d’Orsay ne permettent plus à l’Institut de faire face au très fort développement de ses différentes composantes. Le doublement des effectifs des promotions de l’École, en particulier, suppose que les élèves puissent disposer de surfaces plus importantes et mieux adaptées au contexte des nouvelles technologies, alors que le bâtiment est veillissant et ne peut pas être agrandi. Il est donc décidé de rejoindre le campus voisin de Palaiseau, où se trouvent l’école Polytechnique et ses laboratoires, mais également le site de Thalès Research and Technology, et où l’on attend également l’arrivée de l’ENSTA.
Le nouveau bâtiment de l’Institut accueille les étudiants à partir de la rentrée scolaire 2006. Il est inauguré le 16 décembre de la même année. Le bâtiment 503 reste à disposition de l’Institut, qui y accueille un écosystème d’innovation en photonique et hautes technologies, conçu pour une nouvelle offre de formation aux étudiants : la Filière Innovation-Entrepreneurs (FIE).
L’Institut poursuit sa politique de sites en ouvrant un site en 2012 sur le campus de l’Université de Bordeaux : c’est l’Institut d’Optique d’Aquitaine (IOA). Adossé au Laboratoire Photonique, Numérique, Nanosciences (ou LP2N), la recherche et l’enseignement se penchent sur les liens de plus en plus étroits entre photonique et numérique.
