Mise à l’échelle des jumeaux numériques de réseau par une gestion adaptative de la fidélité

Les futurs systèmes de communication, tels que les réseaux 6G, évoluent vers des infrastructures hautement distribuées, autonomes et hétérogènes, intégrant des architectures de continuum cloud-edge, l’Open RAN (O-RAN), des déploiements massifs d’objets connectés (IoT), l’informatique en périphérie (edge computing) et des environnements radio particulièrement dynamiques.

Ces systèmes devront prendre en charge des services exigeants tels que les communications critiques, l’automatisation industrielle, la mobilité autonome et les applications immersives, tout en fonctionnant dans des conditions caractérisées par un trafic fortement variable, des changements fréquents de topologie, une disponibilité fluctuante des ressources ainsi que des exigences strictes en matière de latence et de fiabilité.

La gestion de tels systèmes, notamment pour réaliser des opérations de configuration, d’optimisation et d’évolution sans risque, devient de plus en plus complexe. Cette difficulté est particulièrement marquée lorsqu’il s’agit d’effectuer une optimisation du réseau en temps réel, des analyses prospectives (« what-if »), du diagnostic de pannes ou encore de planifier des mises à niveau et des extensions du réseau.

Afin de répondre à ces défis, plusieurs initiatives de recherche récentes se sont intéressées à l’application du paradigme des jumeaux numériques aux réseaux de communication, donnant naissance au concept de "Network Digital Twins (NDTs)" ou "jumeaux numériques de réseau".

Un jumeau numérique de réseau est une représentation virtuelle d’un réseau de communication qui reste suffisamment synchronisée avec l’infrastructure physique pour reproduire son état opérationnel et son comportement, permettre des analyses prédictives et évaluer des scénarios hypothétiques avant l’application de décisions au système réel.

Cependant, maintenir un NDT précis et temporellement cohérent dans des réseaux de grande échelle et fortement dynamiques demeure un défi majeur.

Les NDT actuels reposent principalement sur des mécanismes explicites de synchronisation afin de préserver la fidélité entre les systèmes physique et virtuel. Bien que des travaux récents aient introduit des mécanismes de prédiction assistés par l’intelligence artificielle pour réduire la surcharge liée à cette synchronisation, ces approches ne résolvent pas entièrement le problème de l’adaptation dynamique de la fidélité du NDT en fonction de l’incertitude des prédictions, de la valeur de l’information, de la dynamique du réseau et des exigences opérationnelles.

La fidélité adaptative peut être interprétée comme un mécanisme de représentation multi-résolution, dans lequel le jumeau numérique ajuste dynamiquement sa granularité d’observation, son coût de synchronisation et sa précision de reconstruction en fonction de la valeur de l’information, de l’incertitude prédictive, de la dynamique du réseau et des ressources disponibles.

L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, développer et valider un cadre de gestion adaptative de la fidélité (Adaptive Fidelity Management) permettant la mise en œuvre de jumeaux numériques de réseau évolutifs, efficaces en ressources et adaptés aux futurs systèmes de communication.

Croissance de FAPbBr3 par CSS pour la détection des rayons X

Les pérovskites halogénées au plomb, et notamment les matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de formamidinium possèdent des propriétés opto-électroniques exceptionnelles qui ont été intensivement exploitées pour les applications PV. Dans cette famille de matériaux, le FAPbBr3 est également particulièrement prometteurs pour la détection des rayons X pour les applications médicales. Mais cette technologie nécessite de savoir déposer des couches épaisses (>100 µm) sur de grandes surfaces. Le CEA-LITEN a développé pour les pérovskites inorganiques une approche innovante de dépôt par sublimation en espace proche (CSS) répondant à ces critères. Très récemment, il a été montré qu’il était possible de déposer également le FAPbBr3 par cette méthode, une première mondiale.
Mais les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et des pérovskites hybrides par CSS sont largement incompris, et les possibilités offertes par cette méthode de dépôt entièrement à explorer. Par ailleurs, ces résultats sont également extrêmement prometteurs pour les applications PV car une même croissance est attendue en substituant le Br pour former du FAPbI3.
Cette thèse vise à (i) déterminer et optimiser les conditions de croissance par CSS pour les couches de FAPbBr3, (ii) comprendre par des caractérisations avancées (in-situ et ex-situ) les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et (iii) optimiser les dispositifs pour la détection des rayons X. L’extension de ces travaux au FAPbI3 pour les applications PV est également attendue. La nouveauté de cette approche et la possibilité d’adresser plusieurs applications offre des perspectives de publications et brevets.

Optimisation statistique de la calibration des modèles de lithographie

Cette thèse offre l'opportunité de développer des méthodes statistiques pour optimiser et calibrer les modèles de lithographie utilisés pour générer des conceptions optimales de photomasques au moyen de la correction optique de proximité (OPC).
Les dispositifs microélectroniques à haute densité de circuits sont très demandés et font l'objet de recherches et d'études approfondies par les industries. Une façon d'obtenir une densité de circuit plus élevée consiste à diminuer la dimension ou le pas du motif. Cependant, à mesure que la dimension du motif diminue, le défi de fabrication augmente. Une technique d'amélioration de la résolution (RET) telle que l'OPC doit donc être utilisée pour générer un photomasque de tels circuits.
OPC vise à améliorer la fidélité du motif de plaquette en compensant les erreurs dues aux effets optiques ou de processus lors des étapes de fabrication. Pour mettre en œuvre cette correction, un modèle de lithographie doit être généré en tenant compte du système d'exposition et des caractéristiques de la photorésiste. Ces modèles sont calibrés à l'aide d'un très grand volume de données expérimentales qui incluent des mesures CD-SEM et des contours extraits d'images SEM. L'acquisition des données et le post-traitement des images constituent un goulot d'étranglement dans le flux d'étalonnage des modèles, consommant énormément de temps et de ressources.
Durant la période de thèse, les travaux seront axés sur :
Modèles de test innovants pour optimiser les données d'entrée pour l'étalonnage du modèle
Optimisation statistique et algorithmique du flux de calibrage du modèle
Impact de la variabilité des données expérimentales sur les modèles de lithographie

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.

Développement de µLED rouges et RGB pour les microécans et la communication rapide

Contexte : Les microLED (µLED) constituent une technologie prometteuse pour la réalisation de mini-écrans à forte brillance (lunettes de réalité augmentée ou les montres connectées). D’une taille inférieure à 20 µm, ces µLED sont obtenues par gravure d’une structure planaire sur saphir intégrant des puits quantiques InxGa1-xN. La longueur d’onde émise est directement pilotée par la teneur x en indium des puits quantiques (x˜15 % pour le bleu, 25 % pour le vert, 35–40 % pour le rouge). Si les nitrures offrent d’excellentes performances dans le bleu, l’efficacité chute fortement lorsque la taille des µLED diminue. Pour lever ce verrou, une approche innovante repose sur la réalisation de microfils en géométrie cœur/coquille. Cette architecture permet de préserver l’efficacité d’émission quelle que soit la taille et de pouvoir communiquer des données au GHz (technologie développée au sein de la start-up grenobloise Aledia). Malgré leur fort potentiel, les LED à microfils cœur/coquille se heurtent encore à un enjeu scientifique majeur: l’obtention d’émission rouge. L’incorporation d’indium reste limitée à 25 %, seuil insuffisant pour atteindre le rouge. Ce verrou technologique freine aujourd’hui l’émergence de µLED trichromatiques RGB. Notre équipe a démontré des résultats pionniers dans de domaine, où nous avons réalisé les 1er puits quantiques InGaN cœur/coquille à 15 % pour une émission bleue et à 25% pour une émission verte. Malgré ces avancées, le défi reste entier pour réaliser une émission rouge.

Objectifs : Une nouvelle idée a émergé pour aller au-delà des 25% pour la technologie microfil cœur-coquille et ainsi viser l’émission rouge, ce qui a donné lieu à un dépôt d’un brevet en 2025. Des résultats préliminaires se sont révélés très prometteurs et nous souhaitons poursuivre ce travail à travers une thèse avec un trible objectif :
- Démontrer l’émission rouge en variant les paramètres géométriques des microfils (diamètre…)
- Réaliser des µLED le rouge
- Réaliser des µLED trichromique RGB en un seul run de croissance

Collaborations: Ce projet s’appuie sur une étroite collaboration avec le LTM (Laboratoire de la Technologie de la Microélectronique) pour la réalisation de réseaux de microfils GaN par garvure. Les études d’épitaxie de LED cœur/coquille seront menées au CEA à PHELIQS grâce au bâti d’épitaxie MOCVD en intégrant des analyses structurales/optiques. La dernière étape vise à réaliser les dispositifs LED à microfils grâce au savoir-faire développé à l’Institut Néel via la salle blanche NanoFab.

Pourquoi rejoindre ce projet ? Acquérir une expertise en épitaxie, en physique des semiconducteurs et en optoélectronique. Travailler dans un environnement dynamique et collaboratif, étroitement lié au monde de l'industrie. Contribuer au développement des prochaines générations de µLED destinées aux micro-écrans et aux communications GHz.

Financement : Sujet de thèse financée par le Labex « µelectronics » de l’UGA.

Caractérisation des propriétés physico-chimiques de résidus solides issus de carbonisation hydrothermale de biomasses

La carbonisation hydrothermale (HTC pour Hydrothermal Carbonisation) est un procédé de conversion thermochimique mené en milieu aqueux entre 180 et 260°C, à une pression de 2 à 6 MPa. Le produit principal issu de la biomasse est un résidu solide carboné (appelé hydrochar). Les applications envisagées pour l’hydrochar sont variées : combustion, gazéification, adsorption, catalyse, amendement des sols, carbone dur pour accumulateurs Na-ion, …, chacune nécessitant des propriétés spécifiques.
L’objectif de la thèse est de caractériser et mieux comprendre l’origine de différentes propriétés physico-chimiques des résidus carbonés issus de l’HTC de biomasses. L’attention sera portée en particulier à l’hydrophobicité et aux capacités de séchage, aux caractéristiques physiques et texturales des particules obtenues (porosité, granulométrie, surface spécifique) ainsi qu’aux caractéristiques chimiques (composition). L’influence du type de biomasse et des conditions de l’HTC sur ces propriétés sera évaluée.
La démarche s’appuiera sur : des expérimentations HTC en réacteurs batch sur différentes biomasses préalablement sélectionnées, ainsi que la mise en œuvre de différentes techniques de caractérisation des hydrochars ; une analyse des résultats visant à déterminer des corrélations entre les caractéristiques, en élucidant les liens entre la ressource et les propriétés de l’hydrochar en fonction des conditions opératoires.

Structure de type Dual Active Bridge à base d’Interrupteurs Synthétiques SiC pour la stabilisation active ultra-rapide d’un réseau électrique DC à faible inertie car basé sur des convertisseurs.

Avec l’arrivée massive de technologies en courant continu (DC) sur le réseau électrique, et en particulier avec le photovoltaïque et le stockage électrochimique connecté réseau, une part croissante de l’énergie transite par des convertisseurs statiques. Contrairement aux réseaux à prédominance de machines tournantes, qui bénéficient d’une inertie élevée, les réseaux à dominance d’électronique de puissance n’ont qu’une inertie très limitée, et peuvent alors subir des pics, chutes, voire effondrement de tension très dynamiques. Des travaux portent sur l’inertie synthétique, émulée par un contrôle spécifique des convertisseurs statiques, mais ces approches dépendent des fabricants et ne s’appuient pas sur une normalisation établie. Une autre voie consiste à concevoir des équipements spécifiques dédiés à la stabilisation active des réseaux électriques à faible inertie, c’est ce que nous proposons d’explorer à travers cette thèse.
Un cas particulièrement contraignant concerne les réseaux à MVDC, qui reposent par construction à 100% sur les convertisseurs statiques, qui ont donc une inertie naturelle extrêmement faible, et imposent l’usage de convertisseurs statiques reposant sur des technologies spécifiques. Nous proposons dans le cadre de cette thèse l’étude et la preuve de concept d’un convertisseur relié à un réseau électrique MVDC à une tension de 6 à 12 kV, et permettant d’y apporter ou d’y prélever de très hauts niveaux de puissance de manière transitoire, de l’ordre de la dizaine de megawatt pendant une durée de 10 µs à 100 ms. Le système reposera un convertisseur isolé de topologie Dual Active Bridge (DAB) utilisant un bus capacitif à moyenne tension au primaire.
Ce sujet d’électronique de puissance, assez multiphysique, comporte plusieurs verrous technologiques. Des interrupteurs synthétiques (composants SiC mis en série, sujet d’une précédente thèse au laboratoire) devront être mis en œuvre dans un convertisseur DAB réel. L’alimentation fortement isolée des gate-drivers de ces interrupteurs synthétiques devra être conçue. Le dimensionnement du transformateur moyenne fréquence du DAB devra permettre, dans un volume à minimiser, de transférer une puissance très élevée de manière transitoire. Une attention particulière portera ainsi sur le caractère transitoire du dimensionnement, en cherchant à identifier les leviers permettant de maximiser, au sein d’une structure complexe, le ratio entre la puissance nominale et la puissance crête du convertisseur.
Une ouverture applicative sera également faite vers d’autres applications à puissance pulsée qui pourraient bénéficier de ce convertisseur, afin de tenir compte de leurs contraintes spécifiques.

Approche intégrée du traitement des déchets d’une ville : design et optimisation d’un procédé de valorisation multi-déchets pour une production multi-vecteurs

A l’échelle d’une ville, différents déchets (ménagers, composts, boues de station d’épuration, déchets verts, plastiques non recyclés, huiles usagées, métaux, verres, autres) sont produits avec des saisonnalités et des contenus carbone variables au cours du temps. Ces déchets sont aujourd’hui valorisés, et pour certains, incinérés ou enfouis. D’autres voies de valorisation soutenables telles que la pyrogazéification, la gazéification hydrothermale ou la méthanisation peuvent être envisagées.

De nombreuses études scientifiques portent principalement sur la valorisation d’une typologie de déchets [1] [2] [3] [4] ou sur le fonctionnement d’un couple technologies/déchets sans réelle prise en compte de l’intégration territoriale des filières, de la variabilité des gisements et ni d’une évaluation systémique [5]. L’analyse des flux de déchets d’une ville dans son ensemble peut cependant permettre d’identifier des synergies entre différentes typologies de déchets et de valoriser au mieux ces déchets pour réduire les recours aux énergies fossiles [6].

Dans ce contexte, un verrou scientifique majeur réside dans le développement d’une approche intégrée permettant de modéliser, optimiser et évaluer des systèmes multi-déchets et multi-vecteurs à l’échelle territoriale. L’objectif de la thèse est d’étudier la valorisation des déchets d’une agglomération en s’adaptant aux fluctuations saisonnières de la production de déchets, de la typologie des déchets et de la demande locale en énergie (chaleur, électricité, gaz). La thèse prendra en compte le cadre réglementaire (Directive Européenne Déchets, loi AGEC, RED III [7] notamment) et les aspects technico-économiques et environnementaux. Elle s’appuiera sur l’étude d’un à trois territoires représentatifs et visera l’établissement d’une méthodologie d’étude applicable à tous types de territoire.

Transport et piégeage de l’hydrogène dans les alliages austénitiques : couplage expériences et calculs numériques.

L’hydrogène moléculaire H2 est un vecteur d’énergie alternatif aux énergies fossiles traditionnelles, gaz ou pétrole. Il pourrait répondre aux défis énergétiques et environnementaux actuels, c’est-à-dire au besoin de stockage de l’énergie produite par des moyens intermittents comme l’éolien ou le photovoltaïque ou de l’excès d’énergie produite par la filière nucléaire, sans produire de gaz à effet de serre lors de son utilisation. Néanmoins, son stockage et son transport en toute sécurité est une des clefs de son utilisation. Les conteneurs ou les canalisations qui véhiculent l’hydrogène doivent être étanches et conserver leur intégrité dans le temps. Comprendre et prédire le comportement de l’hydrogène dans les alliages des conteneurs/canalisations et les dégradations mécaniques associées – comme la fragilisation – est dès lors crucial pour le développement de la filière hydrogène.
Si de nombreux travaux expérimentaux ont permis d’identifier la fissuration par hydrogène comme étant à l’origine des dégradations des alliages exposés à l’hydrogène, de larges zones d’ombre subsistent encore sur les mécanismes à l’œuvre du fait de difficultés expérimentales et de la grande variabilité des phénomènes observées. Par ailleurs, le transport et le piégeage de l’hydrogène préalable aux dégradations mécaniques sont mal connus et peu documentés à l’échelle nanométrique.
L’objectif de la thèse est d’explorer les mécanismes de transport / piégeage de l’hydrogène dans les alliages austénitiques, et de sa distribution en volume, en amont de la fissuration pour être capable de rendre compte et d’expliquer les observations expérimentales.
Pour atteindre cet objectif, le travail de thèse sera dédié à l’étude du nickel pur, système modèle des austénitiques. L’étude sera conduite en trois volets : (i) des mesures expérimentales de thermo-désorption seront réalisées sur des matériaux modèles ainsi que (ii) des simulations de dynamique moléculaire en potentiels empiriques à l’échelle atomique, puis (iii) les données obtenues alimenteront des modélisations de cinétique chimique couplée à la loi de Fick à l’échelle mésoscopique permettant d’assurer la transition d’échelle nanoscopique - mésoscopique.

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.