Contrôle de manipulateur mobile à haute mobilité en contexte dynamique
Le développement de manipulateur mobile capable de capacités d’adaptation est porteur d’avancées importantes pour le développement de nouveaux moyens de production, que ce soit dans des applications industrielles ou agricoles. En effet de telles technologies permettent de réaliser des tâches répétitives avec précision et sans contraintes liées à la limitation de l’espace de travail. Néanmoins, l’efficience de tels robots est soumise à leur adaptation à la variabilité du contexte d’évolution et de la tâche à réaliser. Aussi, cette thèse propose de concevoir des mécanismes d’adaptation des comportements sensori-moteurs pour ce type de robots, afin de garantir une bonne adéquation de leurs actions en fonction de la situation. Elle envisage d’étendre les capacités de reconfiguration des approches de perception et de commande par l’apport de l’Intelligence Artificielle, ici comprise au sens de l’apprentissage profond. Il s’agira de développer de nouvelles architectures décisionnelles capables d’optimiser les comportements robotiques pour la manipulation mobile dans des contextes évolutifs (notamment intérieur-extérieur) et la réalisation de plusieurs travaux de précision.
Module d’auto-adaptation d’antenne et synthèse d’impédance intégré dans la bande sub-6 GHz pour les applications RF de nouvelle génération
L’adoption croissante des systèmes RF sub-6 GHz pour la 5G, l’IoT et les technologies portables a créé une demande critique pour des solutions compactes, efficaces et adaptatives afin d’améliorer le transfert d’énergie, de réduire les effets de désaccord liés à l’environnement, et d’offrir des capacités avancées de détection. Cette thèse propose un système innovant sur puce (SoC) intégrant une unité d’accord d’antenne (ATU) et un module d’impédance synthétisée (SIM) pour répondre à ces défis. En combinant la mesure d’impédance in situ et une réadaptation dynamique, le système résout une limitation majeure des antennes miniatures : leur sensibilité extrême aux perturbations environnementales, telles que la proximité du corps humain ou des surfaces métalliques. De plus, l’intégration du module d’impédance synthétisée apporte une polyvalence supplémentaire en permettant l’émulation de charges complexes. Cette capacité optimise non seulement le transfert d’énergie, mais ouvre également la voie à des fonctionnalités avancées, comme la caractérisation de matériaux et la détection de l’environnement autour de l’antenne.
L’un des axes centraux de cette recherche est la co-intégration d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA) avec un réseau de post-matching large bande (PMN) et un module d’impédance synthétisée. Cette architecture combinée offre une surveillance en temps réel de l’impédance, un ajustement dynamique et la génération de profils d’impédance spécifiques, essentiels pour caractériser la réponse de l’antenne dans différents scénarios. Un fonctionnement garanti dans la bande 100 MHz–6 GHz est assuré tout en maintenant une faible consommation d’énergie grâce à une gestion efficace des cycles d’activité.
Profil recherché : vous êtes passionné(e) par l’électronique et la microélectronique, et souhaitez contribuer à une avancée technologique majeure ? Nous recherchons un(e) candidat(e) motivé(e) et curieux(se), doté(e) des qualités suivantes :
. Formation : Diplômé(e) d’une école d’ingénieurs ou titulaire d’un master en électronique ou microélectronique.
. Compétences techniques :
Solides connaissances en technologies transistors (CMOS, Bipolaire, GaN…).
Expertise en conception analogique/RF.
Expérience avec des outils de conception tels qu’ADS et/ou Cadence.
Programmation : Compétences de base en Python, MATLAB ou autres langages similaires.
Expérience complémentaire : Une première expérience en conception de circuits intégrés serait un atout précieux.
. Pourquoi postuler : vous aurez l’opportunité de travailler sur des technologies de pointe au sein d’un environnement de recherche innovant et collaboratif. Vous serez accompagné(e) par des experts renommés du domaine pour relever des défis scientifiques et techniques stimulants.
Contacts : PhD.Ghita Yaakoubi KHBIZA : ghita.yaakoubikhbiza@cea.fr, HDR.Serge Bories : serge.bories@cea.fr
Génération assistée par l'IA de simulateurs d’architectures numériques
Les outils de simulation d'architectures numériques reposent sur divers types de modèles, de niveaux d’abstraction différents, afin de répondre aux exigences de la co-conception et de la co-validation matériel/logiciel. Parmi ces modèles, ceux de plus haut niveau permettent la validation fonctionnelle rapide de logiciels sur les architectures cibles.
Ces modèles fonctionnels sont souvent élaborés de manière manuelle, une tâche à la fois fastidieuse et sujette aux erreurs. Lorsque des descriptions de bas niveau en RTL (Register Transfer Level) sont disponibles, elles deviennent une source à partir de laquelle des modèles de plus haut niveau, tels que les modèles fonctionnels, ou simulateurs rapides, peuvent être déduits. Des travaux préliminaires au CEA ont permis d'obtenir un prototype initial basé sur MLIR (Multi-Level Intermediate Representation), démontrant des résultats prometteurs dans la génération de fonctions d'exécution d'instructions à partir de descriptions RTL.
L'objectif de cette thèse est d'approfondir ces travaux, puis d'automatiser l'extraction des états architecturaux en s'inspirant des dernières avancées en matière d'apprentissage automatique pour l'EDA. Le résultat attendu est un flot complet de génération automatique de simulateurs fonctionnels à partir de RTL, garantissant ainsi, par construction, une consistance sémantique entre les deux niveaux d'abstraction.
Métasurfaces Electromagnétiques à Modulation Spatio-Temporelle pour Systèmes de Communication Multifonctionnels et Durables
Les systèmes sans fil de prochaine génération (XG) envisagent une densification sans précédent des réseaux et une utilisation efficace du spectre proche des ondes millimétriques (mmW). Des concepts disruptifs sont nécessaires pour minimiser le nombre de systèmes d'antennes et leur consommation d'énergie. Les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) peuvent fournir une formation de faisceaux à haut gain à l'aide de dispositifs simples (par exemple, des diodes p-i-n) pour contrôler les propriétés de diffusion de leurs cellules unitaires. Cependant, l'efficacité d'une RIS et les fonctions sans fil qu'elle peut réaliser simultanément sont limitées par sa linéarité et sa réciprocité inhérentes.
Les métasurfaces modulées espace-temps (STMM) ont récemment émergé comme une solution de formation de faisceaux permettant de dépasser les limites fondamentales des systèmes linéaires invariants dans le temps. En tirant parti d'une variation temporelle supplémentaire de la réponse des cellules unitaires, par rapport aux RIS, une STMM peut ajuster simultanément les spectres angulaire et fréquentiel des champs rayonnés, sans recourir à de multiples circuits actifs comme dans les systèmes actuels.
La plupart des modèles de conception des STMM sont simplifiés et considèrent des modulations 1-D dans un régime temporel quasi-statique. L'impact de la discrétisation spatiale et de la quantification de phase est souvent négligé. Les rares prototypes rapportés sont souvent de petite taille électrique, avec une période grossière (demi-longueur d'onde). La plupart des démonstrateurs fonctionnent en réflexion, à des fréquences inférieures à 17 GHz, et ne permettent qu'une résolution de phase d’un bit. Une commande indépendante des faisceaux dans le champ lointain à plusieurs fréquences a été prouvée dans un seul plan de balayage.
Cette thèse de doctorat vise à modéliser, concevoir et démontrer des antennes STMM transmissives de grande taille électrique et multifonctionnelles, avec une résolution de phase et des capacités de formation de faisceaux améliorées. Des modèles numériques efficaces permettront de calculer les champs diffusés par une STMM dans les régions de champs lointain et proche, pour des périodes spatiales et temporelles arbitraires. Des techniques holographiques et de détection compressive seront proposées pour optimiser conjointement le profil de phase de la métasurface et les formes d'onde de modulation temporelle, permettant une mise en forme harmonique des faisceaux. Une étude approfondie de l'effet de la résolution de phase, de la période STMM et de la fréquence de modulation temporelle sur les performances, la consommation d'énergie et la complexité des électroniques de contrôle sera fournie.
Un prototype STMM transmissif basé sur des diodes p-i-n et permettant une résolution de phase de 2 bits sera réalisé pour la première fois, en s'appuyant sur les travaux du labo sur les antennes à lentilles plates électroniquement reconfigurables modulées dans l'espace. Il fonctionnera dans une gamme de fréquences adaptée aux réseaux terrestres et satellitaires (17-31 GHz). Plusieurs fonctionnalités d'antennes seront caractérisées expérimentalement à l'aide du même prototype, telles que : (i) une formation de faisceaux 2D simultanée et non réciproque à différents harmoniques des signaux de modulation temporelle, dans les régions de champ lointain ou proche ; (ii) une mise en forme de motif à la fréquence fondamentale, en utilisant des séquences temporelles optimisées pour augmenter la résolution effective de phase.
Les contributions fondamentales et expérimentales de cette recherche élargiront la compréhension physique des métasurfaces modulées dans le temps et augmenteront la maturité de cette technologie pour des antennes intelligentes économes en énergie, avec des applications aux réseaux sans fil et aux systèmes intégrés de communication et de détection. Une activité intense de diffusion dans des revues scientifiques à fort impact en électronique et physique appliquée est attendue, compte tenu de la nouveauté du sujet et de l'intérêt croissant qu'il suscite dans plusieurs communautés scientifiques.
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
Système d’imagerie interférométrique 3D avec module de réception en optique intégrée
La capture d’images de distance, ou 3D sensing, est une fonction clé dans de nombreux domaines applicatifs émergents tels que la réalité augmentée, la robotique et la télé-médecine. Le laboratoire a développé un prototype innovant de 3D sensing en micro-optique, utilisant une technologie Lidar à modulation de fréquence avec une illumination simultanée de toute la scène. La prochaine étape consiste à miniaturiser ce dispositif en optique intégrée. Une première thèse est actuellement en cours au laboratoire, se concentrant sur l’intégration du module d’illumination.
La thèse proposée portera sur la définition d’une architecture optique intégrée pour le module de réception. L’objectif principal est de réaliser la recombinaison des faisceaux en optique intégrée, en utilisant des guides d’onde et des réseaux de couplage, pour effectuer le mélange hétérodyne de la lumière rétro-diffusée par la scène avec l’oscillateur local. Le travail consistera à concevoir ces composants d’optique intégrée en lien avec le système optique à lentilles, à simuler la propagation des faisceaux et les interférences sous Lumerical et Zemax, à participer à la réalisation en salle blanche, à effectuer la caractérisation optique des composants, et à valider expérimentalement la preuve de concept de l’imagerie de distance avec le prototype miniaturisé.
En fonction de l’avancée des travaux, la thèse pourra inclure le développement d’un module combinant les fonctions d’illumination et de réception avec un unique composant. Le travail sera valorisé par des dépôts de brevet, des publications dans des revues à comité de lecture, et des présentations en conférences internationales.
Développement de modulateurs IIIV/Si pour les applications émergentes de la photonique intégrée
Le travail de thèse proposé consiste à développer des modulateurs de phase basés sur l’intégration de capacités hybrides IIIV-Silicium dans des guides d’ondes en silicium, à la longueur d'onde de 1.55µm pour répondre aux demandes émergentes de la photonique (calcul optique sur puce, LIDAR). A la différence des applications telecom/datacom, qui ont permis l'émergence de la photonique intégrée sur silicium, ces nouveaux champ applicatifs mettent en jeux des circuits qui nécessitent un très grand nombre de modulateurs de phase. Les modulateurs tout silicium à base de jonction PN, qui présentent des pertes optiques de plusieurs dB et des tailles centimétriques, sont un verrou à l’émergence de ces applications.
Les capacités hybrides IIIV-Si doivent permettre, grâce aux propriétés électro-optiques des matériaux IIIV, de réduire d’un ordre de grandeur la taille des modulateurs silicium et d’améliorer leur efficacité énergétique (réduction des pertes optiques). Des premiers modulateurs fonctionnels ont été conçus, réalisés et testés au laboratoire. Il s’agira dans un premier temps d’étudier plus finement leurs performances (pertes, efficacité, vitesse, hystérésis) et d’en comprendre les ressorts, en utilisant les moyens de simulation optique et de caractérisation électrique disponibles (C(V), densité de charge d'interfaces, DLTS..). Il s’agira notamment de mieux comprendre l’impact du procédé de fabrication sur les propriétés électro-optiques. Dans un second temps le doctorant proposera des améliorations des architectures et des procédés de fabrication (en collaboration avec nos spécialistes), et les validera expérimentalement à partir de capacités hybrides et de modulateurs intégrant ces capacités.
Métasurfaces pour l’ amélioration de l'efficacité des µLEDs à conversion
Dans le contexte de la réalité augmentée, réaliser des matrices de µLEDs RGB est la prochaine étape afin de miniaturiser et simplifier le système optique dans sa globalité. Afin de réaliser de tels dispositifs, une des approches envisagées est de réaliser des matrices de µLEDs en GaN/InGaN bleues et d’appliquer des convertisseurs de couleur vers le rouge et le vert au dessus de cette matrice. Cependant, les applications de réalité augmentée requièrent des dispositifs émissifs directifs, ce qui est à priori difficile à réaliser car l’émission spontanée des convertisseurs est à priori isotrope. Cependant il a récemment été démontré par le laboratoire Charles Fabry (thèse de E. Bailly et direction de cette thèse) que la combinaison de métasurfaces avec des convertisseurs couleurs pouvaient permettre de réaliser de l’émission directive. Le but de cette thèse est alors d’appliquer cette approche en la combinant avec des µLEDs bleues réalisées au CEA-LETI. Durant cette thèse l’étudiant designera les dispositifs afin de les rendre efficaces et avec une émission directive. Puis dans un deuxième temps des dispositifs seront réalisés en salle blanche au LETI et caractérisés opto-électriquement.
La première partie de cette thèse (le design) sera réalisée par l’étudiant principalement dans les locaux du laboratoire Charles Fabry sur le plateau de Saclay, puis il rejoindra le CEA-LETI au sein du LITE à Grenoble pour les aspects de caractérisation et de comparaison avec les simulations.
Les travaux du Laboratoire d'Intégration des Technologies Emissives portent sur l'intégration de la fabrication d'émetteurs µLED, OLED et LCD en environnement de type fonderie microélectronique sur silicium. Il s'agit par exemple d'améliorer les performances de micro-écrans sur ASIC tout en diminuant la taille caractéristique des pixels émetteurs, ou encore de démontrer de nouveaux usages de ces sources lumineuses dans le domaine des capteurs optiques biomédicaux.
Systèmes visuels de questions-réponses combinant un encodeur binarisé et des modèles de langage
Une des tendances majeures des imageurs intelligents est d’aller au-delà de fonctions d’inférence simple telle que la classification ou la détection d’objet. Cela peut notamment se traduire par le souhait d’ajouter des applications plus complexes permettant une compréhension sémantique de la scène. Parmi ces applications, le VQA (Visual Question Answering) permet aux systèmes d'IA de répondre à des questions, formulées avec du texte, en analysant les images. Dans ce contexte, ce sujet vise à développer un système efficace et embarqué de VQA intégrant un encodeur visuel basé sur des réseaux de neurones binaires (BNN) combiné avec un modèle de langage compact (tiny LLM). Même s’il existent encore de nombreuses étapes pour un portage matériel d’un système intégrant un LLM, ce projet représente une étape significative dans cette direction en s’appuyant sur des BNN. Cet encodeur traite des images en limitant le besoin en ressource de calcul, permettant un déploiement en temps réel sur des dispositifs embarqués. Des mécanismes d'attention seront intégrés pour extraire les informations sémantiques nécessaires à la compréhension de la scène. Le modèle de langage utilisé pourra être stocké localement et ajusté conjointement avec le BNN pour générer des réponses précises et contextuellement pertinentes.
Ce sujet de thèse offre une opportunité pour un candidat intéressé par le Tiny Deep Learning et les LLMs. Il propose un vaste champ de recherche pour des contributions significatives et des résultats intéressants pour des applications concrètes. Le travail consistera à développer une topologie de BNN robuste pour l'analyse sémantique d’une scène visuelle, en prenant en compte des contraintes matérielles (mémoire et calcul), à intégrer et à optimiser l'encodeur BNN avec le LLM, tout en assurant un système VQA cohérent et performant à travers différents types de requêtes et de cas d’usage.
Etude de structures micro-optique pour la fonctionnalisation d’imageur infrarouge non refroidie
Initialement développé pour des applications de défense et de surveillance, l’usage des imageurs thermiques se généralise depuis plusieurs années à des applications grand public telles que la thermographie, le contrôle industriel de point chaud ou encore la domotique. Son usage ne requérant ni source ni éclairage ambiant, cela en fait une modalité de choix pour le développement de véhicules plus sécuritaires voir autonomes. A la différence des imageurs visibles, les imageurs thermiques ne disposent pas aujourd’hui de fonctions optiques embarquées au plus proche des pixels.
Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’ajout d’une fonction de triage angulaire à faible résolution permettant de discriminer la direction principale de provenance du flux infrarouge incident. Cette information est pertinente pour alimenter des algorithmes de traitement d’images permettant une mise au point automatique plus rapide, une meilleure segmentation des images mais également une estimation de distances. Pour réaliser une telle fonction, un réseau de micro-optiques construites à l’échelle d’un groupe de quelques pixels doit être dimensionné et réalisé. Deux approches concurrentielles à base microlentilles réfractives ou de méta-surfaces sont envisagées à ce stade. En tant que doctorant, votre rôle consistera à :
- Etablir les spécifications préliminaires de ces microlentilles
- Concevoir ces micro-optiques à l’aide de simulation numérique et prédire leur performance
- Suivre la fabrication de ces micro-optiques en salle blanche
- Caractériser ces micro-optiques sur un banc laser dédié et réaliser une preuve de principe en couplant ces dernières avec un imageur infrarouge.
Pour mener à bien votre thèse, vous serez pleinement intégré au sein du Laboratoire d'Imagerie Thermique et THz (LI2T) qui développe, réalise et caractérise des technologies d'imageurs à base de micro-bolomètres.