Composant photonique d'extraction par couplage évanescent pour l'interaction optique guidée/optique espace libre
L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle classe de dispositifs optiques destinés à assurer l'interface entre les circuits photoniques intégrés (PIC, Photonic Integrated Circuits) et l'optique en espace libre. Ces dispositifs ont été étudiés dans le cadre d'un travail fondateur réalisé lors d'une précédente thèse. Ils reposent sur l'utilisation d'une structure prismatique obtenue par nano-impression et fixée à la surface d'un PIC. Grâce au couplage évanescent et aux réflexions au sein de cette structure, les ondes guidées peuvent être transférées du PIC vers un système optique externe. L'utilisation de matériaux électro-optiques pourrait permettre à cet extracteur de proposer des applications intéressantes en tant qu'extracteur commutable.
Le ou la doctorant(e) approfondira la théorie du dispositif afin d'en améliorer les performances. Il ou elle mènera des expériences portant sur l’intégration (packaging), l'holographie et la caractérisation des PIC. Son objectif sera de fabriquer une large gamme de dispositifs prototypes destinés à être testés. Une attention particulière sera portée à l'évaluation du comportement des dispositifs fabriqués sur une large plage spectrale, allant du visible à l'infrarouge proche.
Le ou la doctorant(e) utilisera un logiciel de simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) afin d'évaluer les caractéristiques de propagation de l'onde lors de sa transition d'un milieu confiné vers l'espace libre. Il ou elle définira les structures prismatiques optimales qui seront reproduites par nano-impression. Il ou elle intégrera ces structures polymères sur des échantillons de PIC au moyen de protocoles délicats de transfert et de collage en salle blanche. Il ou elle enregistrera des éléments optiques micro-holographiques à l'aide de lasers afin d'améliorer les capacités angulaires du dispositif final. Une grande partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre et à l'utilisation de bancs expérimentaux optiques.
Déploiement matériel robuste de réseaux de neurones
Les technologies matérielles non conventionnelles émergentes sont essentielles pour les futures applications d’Edge-AI, mais elles présentent souvent de la variabilité, des désappariements entre composants et une dispersion technologique. Ces non-idéalités peuvent fortement réduire la précision d’inférence des modèles d’IA si aucun réglage fin ou calibrage n’est appliqué. Le fine-tuning supervisé traditionnel est difficile à industrialiser, car il soulève des problèmes liés à la confidentialité des données, à la qualité de service, à la complexité logicielle et aux contraintes matérielles.
Ce sujet de thèse vise à développer des méthodes de co-conception matériel-algorithme permettant d’éviter le réentraînement supervisé complet directement sur la puce. L’objectif principal est de créer des stratégies d’auto-calibrage au niveau de l’inférence, indépendantes de la tâche, capables de compenser les désappariements matériels au niveau système. Le travail s'intéressera les méthodes d’adaptation existantes, notamment celles fondées sur les poids, les caractéristiques, les sorties et l’adaptation de domaine.
Le projet permettra de développer au travers d'une application pertinente d’Edge-AI une méthode générique de fine-tuning et la validera au moyen de simulations électriques bas niveau. Si possible, l'approche proposé pourra également être testé expérimentalement sur une plateforme matérielle basée sur un ASIC.
Etude d’un imageur basse consommation pour réseau de capteurs à traitement distribué
Dans le cadre d’un projet académique collaboratif, l’objectif de cette thèse est de développer un capteur d’image « intelligent » dédié à un réseau de caméras sans fil intégrant du calcul distribuée à base d’intelligence artificielle.
Un réseau de caméras actuel contient plusieurs caméras standards qui transmettent leurs images à un serveur global effectuant le traitement d’inférence ciblé. Ce type d’architecture propose une performance énergétique et une frugalité qui ne sont pas compatibles avec les exigences des applications de type IoT.
L’objectif du projet est de viser une architecture du nœud du réseau présentant une frugalité matérielle inédite grâce à une approche distribuée et collaborative basée sur des nœuds de calcul à ultra-basse consommation. Le noyau d’inférence de chaque nœud sera construit autour de processeurs ASIC effectuant des calculs sous forme analogique et numérique. Le démonstrateur final consistera en un réseau sans fil de caméras (nœuds du réseau de capteurs) intégrant des capteurs d’images dédiés associés à des processeurs hybrides effectuant un traitement mixte.
Dans ce contexte, le capteur d’image du nœud doit extraire des caractéristiques de l’image avec frugalité et efficacité, ce qui implique que vous devrez définir, concevoir et tester une architecture de lecture innovante d’un imageur standard. En collaboration avec les partenaires académiques, vous serez impliqué dans la définition de l’architecture globale du nœud permettant de définir essentiellement le format des données de sortie et la procédure de lecture de l’imageur, y compris le prétraitement potentiel pour les calculs d’inférence distribués. L’architecture étudiée intégrera des solutions basse consommation innovantes pour adresser les applications IoT ciblées et réaliser à la fois des acquisitions d’images et un pré-traitement IA.
Comme un démonstrateur de capteur d’image est prévu dans cette thèse, le travail sera mené au CEA-Leti dans le laboratoire L3i, en utilisant des outils professionnels de conception de circuits intégrés et des environnements de développement logiciel.
Architecture d'un système de tomoscintigraphie préclinique
L’imagerie médicale est une source majeure d’innovations offrant un potentiel remarquable pour relever les nouveaux défis posés par la médecine de précision. En particulier les approches théranostiques, mêlant diagnostic et thérapie peuvent être personnalisées pour chaque patient.
Dans ce cadre, le CEA-Leti propose un sujet de thèse visant à développer un imageur tomoscintigraphique préclinique dédié, capable de fournir les performances requises pour le développement de nouveaux radiopharmaceutiques (spectrométrie, résolution spatiale et sensibilité élevée). Le laboratoire dispose en effet d’une expertise reconnue dans les détecteurs semi-conducteurs à base de CZT (Tellurure de Cadmium-Zinc) qui offrent une meilleure résolution spatiale et énergétique que les scintillateurs utilisés dans la plupart des systèmes actuels. Ces détecteurs ouvrent de nouvelles perspectives pour l’imagerie d’émission, telles que l'exploitation de l'imagerie Compton, l'imagerie multi-isotopique et le gain en contraste.
Le ou la candidate aura a prendre en charge :
1. L'étude de l'état de l'art en imagerie tomoscintigraphique préclinique pour participer à la spécification système et aider à définir une architecture de système.
2. La simulation de l'architecture par Monte-Carlo et l'optimisation des paramètres libres.
3. La conception et la fabrication d'un prototype avec l'aide de l'équipe d'ingénieurs.
4. Le test et la validation en imagerie, en utilisant les logiciels d'acquisition et reconstruction fournis par l'équipe.
Le doctorat se déroulera au sein d'un laboratoire d'instrumentation équipé en électroniques, détecteurs, mécaniques de motorisation, sources, logiciels d'acquisition, traitement et reconstruction. Le ou la doctorante collaborera avec le centre clinique et préclinique de l'hôpital d'Orsay pour conduire des tests d'imagerie sur fantômes et animaux.
Etude des photodiodes PiN pour les imageurs infrarouges refroidis
En termes de détection IR haute performance, le LETI joue un rôle de premier plan dans le développement du matériau HgCdTe qui donne aujourd’hui des performances telles qu’il est embarqué sur le Télescope Spatial James Webb (JWST) et permet l’observation et l’étude de l’espace lointain avec une précision inégalée à ce jour. Cependant, nous pensons qu’il est encore possible de franchir un pas important en termes de performances de détection. En effet, il semble qu’une structure totalement déplétée, appelée photodiode PiN, pourrait permettre de réduire encore le courant d’obscurité (et donc réduire le bruit et gagner en sensibilité à bas flux photonique) par rapport aux structures non totalement déplétées utilisées jusqu’à présent. Cette architecture représenterait la photodiode ultime et permettrait soit un gain en performance pure à une température de fonctionnement donnée, soit une augmentation importante de la température de fonctionnement du détecteur avec le potentiel d’ouvrir de nouveaux champs d’application en simplifiant fortement la cryogénie.
Votre rôle dans ce travail de thèse sera de contribuer au développement de la photodiode ultime pour la détection IR refroidi très haute performance, caractériser et simuler les photodiodes PiN en technologie HgCdTe fabriquées sur notre plateforme photonique. Les figures de mérite principales des détecteurs seront établies et comparées à celles de la littérature (courant d’obscurité, qualité image, …). Le candidat pourra s’appuyer sur un socle de moyens de caractérisations avancées disponibles au laboratoire : mesures de FTM par EBIC (Electron-Beam-Induced-Current), de transport électronique par EH (Effet Hall), MEMSA (Maximum Entropy Mobility Spectrum Analysis) ou EBIC (extraction de la durée de vie des porteurs minoritaires) en plus des moyens plus classiques de mesures : analyseurs de paramètres à semi-conducteurs (HR-SMU pour High-Resolution Source Measurement Unit), rendement quantique, bruits temporel et spatial. Ce travail expérimental et théorique permettra de proposer une modélisation du comportement des objets fabriqués au CEA-Léti et de déterminer la sensibilité aux paramètres technologiques.
Le doctorant s’intègrera dans une équipe multidisciplinaire qui va de la croissance des matériaux II-VI jusqu’à la caractérisation EO, en passant par les procédés de fabrication de type microélectronique en salle blanche et les problématiques de packaging de tels objets fonctionnant à basse température.
Vous êtes titulaire d’un Master en optoélectronique ou physique des matériaux semi-conducteurs et êtes passionné par la recherche appliquée.
Les principales compétences techniques souhaitées sont : physique des composants à semi-conducteurs, optoélectronique, traitement des données, simulations numériques, attrait pour le travail expérimental pour mener à bien les caractérisations en environnement cryogénique et théorique pour mener à bien les simulations numériques. Rigueur
Intégration de fonctions de sécurité pour imageurs : chiffrement, tatouage par fonctions compactes proches capteur
L'utilisation illicite des images s’est considérablement accrue avec la généralisation de la manipulation de contenu par IA (deepfakes) ou par des accès non autorisés. Sécuriser les images dès leur source, c'est-à-dire au niveau du capteur, est essentiel pour relever les défis de ce domaine de la cybersécurité en limitant les failles de sécurité. Ce concept de « capteurs d'images de confiance » répond au besoin d'assurer la sécurité, l'authentification et le chiffrement des images dès leur acquisition.
S'appuyant sur nos recherches initiales, notamment sur la génération in situ de clés de chiffrement ou d'authentification, les travaux de thèse porteront sur la recherche de solutions innovantes destinées à intégrer des fonctions de sécurité aux capteurs d'images. Ces fonctions doivent concilier la sécurisation des contenus tout en tenant compte des exigences de faible consommation d'énergie et d'architecture intégrée compacte. Après une phase initiale visant à développer les compétences spécifiques à la thèse, et en fonction de votre parcours et de vos intérêts, votre travail consistera à :
- Développer des algorithmes de chiffrement et/ou de tatouage numérique en Python afin d'évaluer leur complexité, puis proposer des versions compactes compatibles avec l'intégration dans les capteurs d'images.
- Évaluer l'impact des choix algorithmiques et de l'implémentation matérielle sur la qualité de l'image.
- Concevoir et valider des architectures matérielles implémentant les algorithmes.
- Conception des circuits intégrés implémentant ces fonctions.
Avec l’objectif de concevoir et fabriquer un circuit intégré, les travaux seront menés au CEA-Leti à l'aide d'outils de conception de circuits intégrés et d'environnements de développement logiciel professionnels.
Développement de sources de photons multiplexées pour les technologies quantiques
Les technologies de l’information quantique offrent de nombreuses promesses notamment dans le domaine du calcul et des communications sécurisées. Les qubits photoniques, du fait de leur excellente robustesse à la décohérence sont particulièrement intéressants pour les communications quantiques, y compris à température ambiante. Ils offrent également une alternative à d’autres technologies de qubits dans le cadre du calcul quantique. Afin de déployer à grande échelle ces applications, il est nécessaire de disposer de dispositifs compacts, bon marché, en grand nombre. La photonique sur silicium est une plate-forme attractive pour parvenir à cet objectif, en implémentant différents composants clé de génération, manipulation et détection de qubits photoniques. Sur silicium, la génération de qubits photoniques repose sur la génération de paires de photons par effet non-linéaire dans le silicium, présentant différents attraits tels que le fonctionnement à température ambiante, la possibilité d’utiliser la paire de photons comme source de photons uniques annoncés, et la possibilité de générer des photons indiscernables à partir de deux sources spatialement distinctes.
L’objectif de cette thèse est de travailler au développement, au suivi de fabrication et à la caractérisation en laboratoire de sources de paires de photons multiplexées sur puce silicium afin de surpasser les limites inhérentes au processus physique de génération de paires de photons. Dans l’objectif d’une intégration complète sur une puce unique, il sera également essentiel de pouvoir filtrer efficacement la lumière indésirable, afin de ne garder que les photons d’intérêt. C’est pourquoi un accent particulier sera également mis sur le développement de filtres intégrés à très fort taux de réjection.