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.

Conception et intégration de microlasers dans une plateforme photonique silicium

Depuis une dizaine d’années, l’augmentation continue du trafic internet pousse les interconnexions électriques des centres de données vers leur limite en terme de débit, de densité et de consommation. En remplaçant ces liens électriques par des fibres optiques et en intégrant sur puce l’ensemble des fonctions optiques nécessaires à la réalisation d’émetteurs-récepteurs (transceivers), la photonique sur silicium représente une opportunité unique de répondre à ces problématiques. L’intégration d’une source de lumière (laser) au sein d’une puce photonique est une brique essentielle pour le développement de cette technologie. Si de nombreuses démonstrations reposent sur l’utilisation de lasers externes, ou de puces laser aboutées, c’est bien la fabrication hétérogène directe d’un laser sur la puce photonique qui permettrait d’atteindre le niveau de performances souhaité tout en limitant les couts.
L’objectif de cette thèse est d’apporter une solution inédite à la gestion des communications très courtes distances (inter-puces, intra-puces) en réalisant, sur silicium, des microlasers de type membrane III-V à hétéro-structure enterrée. Cette architecture de laser permet de répondre aux nombreux défis des liens très courtes distances grâce à un compromis efficacité/intégrabilité supérieur à l’état de l’art tout en étant compatibles avec les lignes de fabrication CMOS.
L’étudiant aura la charge de (i) dimensionner les microlasers grâce aux outils de simulations numériques disponibles au laboratoire puis (ii) fabriquer ces microlasers en s’appuyant sur les plateformes technologiques du CEA-LETI et du LTM/CNRS et enfin (iii) de caractériser électro-optiquement les composants. Ce travail de thèse sera effectué en collaboration entre le CEA-LETI et le LTM/CNRS et constituera une brique stratégique, nécessaire aux futures générations de transceivers photoniques.

Techniques d’attaques laser appliquées à la rétro-conception de mémoires

Les mémoires jouent un rôle crucial pour la sécurité des systèmes cyber-physiques. Elles gèrent des données sensibles telles que les clés cryptographiques et les codes propriétaires. Avec l'augmentation des attaques dites matérielles, comprendre et manipuler l'organisation de la mémoire est devenu essentiel. Cette thèse vise à explorer l'application de techniques d'injection laser, notamment la Stimulation Laser Thermique (TLS) et la perturbation laser, pour la rétro-conception de mémoires. L'objectif principal est de développer des méthodes pour extraire ou modifier le contenu de la mémoire, avec un accent particulier sur la validation du TLS sur la technologie FDSOI 22nm. De plus, la thèse cherche à utiliser la perturbation laser pour reconstruire l'architecture de la mémoire, analyser les codes correcteurs d'erreurs et concevoir des contre-mesures. Ces travaux s'appuieront sur les infrastructures de tests disponible au CEA (e.g.,https://github.com/CEA-Leti/secbench), ainsi que sur les experts.

Passage à l’échelle du jumeau numérique réseau dans les réseaux de communication complexes

Les réseaux de communication connaissent aujourd’hui une croissance exponentielle à la fois en termes de déploiement d’infrastructures réseau (notamment ceux des opérateurs à travers l’évolution progressive et soutenue vers la 6G), mais aussi en termes de machines, couvrant un large éventail d’équipements allant des serveurs Cloud aux composants IoT embarqués légers (ex. System on Chip : SoC) en passant par les terminaux mobiles comme les téléphones intelligents (smartphones).

Cet écosystème est aussi riche en équipements qu’en composants logiciels allant de l’application (ex. Audio/Vidéo streaming) jusqu’aux protocoles des différentes couches de communication réseau. De plus, un tel écosystème, lorsqu’il est opérationnel, se trouvera en perpétuel changement dont la nature peut être explicitée dans ce qui suit :
- Changement dans la topologie réseau : en raison, par exemple de défaillances matérielles ou logicielles, mobilité des utilisateurs, politiques de gestion des ressources réseau de l’opérateur, etc.
- Changement dans le taux d’utilisation/consommation des ressources réseau (bande passante, mémoire, CPU, batterie, etc.) : en raison des besoins des utilisateurs et des politiques de gestion des ressources réseau de l’opérateur, etc.

Pour assurer une supervision, ou plus généralement, une gestion efficace, qu'elle soit fine ou synthétique, des réseaux de communication, divers services/plateformes de gestion de réseau, tels que SNMP, CMIP, LWM2M, CoMI, SDN, ont été proposés et documentés dans la littérature sur les réseaux et organismes de normalisation. Par ailleurs, de telles plates-formes de gestion ont été largement adoptées notamment par les opérateurs réseau et par l’industrie de manière générale. D’ailleurs, cette adoption intègre souvent des fonctionnalités avancées, notamment des boucles de contrôle automatisées (par exemple, des systèmes experts ou des systèmes basés sur l’apprentissage automatique), améliorant ainsi la capacité des plateformes à optimiser les performances des opérations de gestion du réseau.

Cependant, malgré l’exploration et l’exploitation intensives des plateformes de gestion réseau, ces plateformes ne garantissent pas toujours une (re)configuration sans risque/erreur intrinsèque, dans des cas d’usage assez communs et critiques comme l’optimisation temps-réel du réseau, l’analyse de tests en mode opérationnel (what-if analysis), la planification des mises à jour/modernisations/extensions du réseau de communication, etc. Pour de tels scénarios, un nouveau paradigme de gestion réseau s’avère nécessaire.

Pour traiter les problématiques présentées dans la section précédente, la communauté scientifique a commencé à explorer l’adoption du concept de « jumeau numérique » pour les réseaux de communication, ce qui a donné naissance au paradigme du jumeau numérique réseau (Network Digital Twin : NDT). Le NDT est un jumeau numérique du réseau réel/physique (Physical Twin Network : PTN) ou l’on peut manipuler, sans risque, une copie numérique du vrai réseau, ce qui permet notamment de visualiser/prédire l’évolution (ou le comportement, l’état) du réseau réel si telle ou telle configuration réseau devait être appliquée. Au-delà de cet aspect, le NDT et le PTN échangent des informations via une ou plusieurs interfaces de communication dans le but de maintenir une bonne synchronisation entre eux.

Cependant, mettre en place un jumeau numérique réseau (NDT) n’est pas une tache simple. En effet, la synchronisation PTN-NDT fréquente et en temps réel pose un problème de passage à l’échelle (scalability) lorsqu’il est question de réseaux complexes (ex. nombre d’entités réseau trop important, topologies très dynamiques, volume important d’informations par nœud/par lien réseau), où chaque information réseau est susceptible d’être rapportée au niveau du NDT (par exemple un très grand nombre d'entités réseau, des topologies très dynamiques, ou un grand volume d'informations par nœud/par lien réseau).

Divers travaux scientifiques ont tenté de traiter la question du jumeau numérique réseau (NDT). Dans ces travaux il est question de définir des scenarios, exigences et architecture du NDT. Cependant, la question du passage à l’échelle dans le NDT n’a pas été traitée dans la littérature.

L'objectif de cette thèse de doctorat est de traiter le problème de passage à l’échelle (« scalabilité ») des jumeaux numériques réseau en explorant de nouveaux modèles d'apprentissage automatique pour la sélection et la prédiction des informations réseau.