Thèse Intégration de Photodiodes Ultra-Rapides sur Niobate de Lithium en Couche Mince pour la Génération et la Détection de Signaux Térahertz H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Lille
École doctorale : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
Laboratoire de recherche : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Direction de la thèse : Emilien PEYTAVIT ORCID 0000000200744339
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-06T23:59:59Au cours des dernières décennies, les photodiodes à transport unipolaire modifié (MUTC-PDs) basées sur des semi-conducteurs III-V se sont imposées comme les dispositifs les plus performants pour la conversion optique-électrique à très haute vitesse. Grâce aux progrès réalisés dans l'ingénierie épitaxiale, l'optimisation du transport des porteurs et les architectures à guide d'onde, ces dispositifs atteignent aujourd'hui des bandes passantes supérieures à 200 GHz, des responsivités supérieures à 0,8 A/W et permettent des démonstrations de transmission sans amplification jusqu'à 120 Gbit/s. Ces performances font des MUTC-PDs des composants essentiels pour l'interface entre les domaines optique et sub-THz/THz, notamment dans la perspective des futurs systèmes de communication 6G.

Parallèlement, la photonique intégrée connaît un développement rapide avec l'émergence du niobate de lithium en couche mince (Lithium Niobate on Insulator - LNOI). Cette plateforme combine de très faibles pertes optiques avec un coefficient électro-optique exceptionnel, permettant la réalisation de modulateurs et de circuits photoniques très performants. Des travaux récents ont également démontré la possibilité d'exploiter cette technologie dans le domaine térahertz, ouvrant la voie à de nouvelles architectures pour la génération, le traitement et la détection de signaux large bande.

La convergence de ces deux technologies - photodiodes III-V ultrarapides et circuits photoniques LNOI - offre des perspectives prometteuses pour le développement de dispositifs intégrés capables de générer et de détecter efficacement des signaux THz large bande. L'intégration de photodiodes UTC à très haute vitesse sur des guides d'onde LNOI pourrait permettre de combiner la rapidité intrinsèque des dispositifs III-V avec les propriétés électro-optiques du niobate de lithium.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité et la conception de photodiodes UTC intégrées sur une plateforme LNOI pour la génération et la détection de signaux THz. Le travail portera sur la modélisation du couplage optique, la conception des structures de photodiodes et l'optimisation des électrodes haute fréquence. Les dispositifs étudiés devront atteindre ou dépasser l'état de l'art actuel en termes de bande passante et d'efficacité. Cette thèse sera réalisée en collaboration avec l'équipe QuIN Photonics de la TU Delft, spécialiste de la photonique intégrée sur LNOI.

Les futurs systèmes de communication et de détection nécessitent des composants capables de fonctionner à des fréquences toujours plus élevées. Les photodiodes MUTC basées sur des matériaux III-V représentent aujourd'hui les dispositifs les plus performants pour la conversion optique-électrique à très haute vitesse.

Par ailleurs, la photonique intégrée sur niobate de lithium en couche mince (LNOI) connaît un essor important en raison de ses excellentes propriétés optiques et électro-optiques. L'intégration de photodiodes ultrarapides sur cette plateforme représente une voie prometteuse pour développer des circuits photoniques capables de générer et de détecter des signaux dans le domaine sub-THz et THz.

Cependant, cette intégration nécessite une co-conception avancée des guides d'onde, des dispositifs optoélectroniques et des électrodes hyperfréquences, afin d'optimiser les performances globales du système.

Les objectifs principaux de cette thèse sont :
-étudier la faisabilité de l'intégration de photodiodes UTC sur une plateforme LNOI,
-modéliser le couplage optique entre guides d'onde LNOI et photodiodes III-V,
-concevoir des architectures de photodiodes ultrarapides adaptées à la photonique intégrée,
-optimiser les électrodes haute fréquence pour un fonctionnement dans la gamme sub-THz/THz,
-proposer des architectures capables d'atteindre ou de dépasser l'état de l'art en termes de produit bande passante-efficacité.

La méthodologie reposera sur trois axes principaux :
1.Modélisation photonique
Étude du couplage optique entre les guides d'onde LNOI et les photodiodes à l'aide d'outils de simulation photonique (Lumerical).
2.Simulation électromagnétique
Conception et optimisation des électrodes haute fréquence et des structures RF à l'aide de logiciels de simulation électromagnétique (CST Studio, HFSS).
3.Simulation de dispositifs semi-conducteurs
Modélisation du transport des porteurs et des performances des photodiodes UTC à l'aide d'outils de simulation physique (SILVACO).

Ces travaux seront réalisés en interaction avec les équipes partenaires impliquées dans la conception et la fabrication des circuits photoniques.

Nous recherchons un(e) candidat(e) titulaire d'un Master ou diplôme équivalent en physique, électronique, optoélectronique, photonique ou ingénierie électrique (EEA). Le/la candidat(e) devra posséder de solides bases en physique des semi-conducteurs, en propagation des ondes électromagnétiques et/ou en photonique intégrée.

Une bonne connaissance des dispositifs optoélectroniques et des technologies micro- ou nano-électroniques sera appréciée. Une expérience en simulation numérique (électromagnétisme, photonique ou dispositifs semi-conducteurs) avec des outils tels que HFSS, CST, Lumerical, COMSOL ou SILVACO constituera un atout.

Le/la candidat(e) devra faire preuve d'un fort intérêt pour la recherche en physique appliquée et pour le développement de dispositifs innovants. Des compétences en programmation scientifique (Python, Matlab ou équivalent) seront appréciées.Le/la candidat(e) devra également démontrer de bonnes capacités d'analyse, d'autonomie, ainsi qu'un esprit d'initiative et de travail en équipe dans un environnement de recherche international. Une bonne maîtrise de l'anglais scientifique, à l'écrit comme à l'oral, est requise.