Thèse Optimisation des Algorithmes sur Fpga pour l'Électronique des Détecteurs à Inductance Cinétique Supraconducteurs H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie Direction de la thèse : Olivier ROSSETTO Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Cette thèse s'inscrit dans la continuité directe des travaux de Mounir Abdkrimi, qui a soutenu le 3 octobre 2025. Au cours de celle-ci, il a réalisé une caractérisation complète de l'électronique à température ambiante (300K) de la chaîne de lecture des KID (Kinetic Inductance Detectors) dans la version CONCERTO, appelée KID\_READOUT. Son objectif était d'augmenter le nombre de pixels adressables. Pour y parvenir, il a dû caractériser et modéliser la chaîne de lecture numérique et analogique. Cette modélisation lui a rapidement permis de constater que la limite du plancher de bruit était imposée par la résolution du convertisseur analogique-numérique (ADC), et que la saturation du convertisseur numérique-analogique (DAC) limitait le nombre de pixels adressables. Cette étude a permis de réévaluer les choix techniques et de mener une optimisation générale qui a doublé le nombre de pixels. Cependant, en raison de la durée limitée d'une thèse, il n'a pas pu mettre en oeuvre toutes les optimisations identifiées, ni comparer pratiquement les différentes possibilités d'optimisation. Cette thèse vise donc à combler ces lacunes.
Le contexte technique et scientifique qui a permis le développement de l'électronique de lecture des KID suit toujours la même tendance, à savoir une augmentation continue du nombre de pixels à traiter. Étant donné les facteurs de qualité imposés par les KID, l'augmentation du nombre de pixels s'accompagne inévitablement d'une hausse de la bande passante. Cependant, ces caractéristiques doivent être atteintes tout en maintenant les performances en termes de bruit, de vitesse de lecture et de consommation d'énergie.
La, ou le, doctorant·e devra d'abord porter le firmware actuel sur une électronique révisée afin de corriger les limitations identifiées par le précédent doctorant. Si le bruit est moins limité par cette électronique, une étude détaillée de la propagation du bruit de phase serait particulièrement utile pour identifier plus précisément les limitations de notre électronique, notamment pour quantifier qualitativement le nombre maximal de pixels admissibles par ligne RF.
En matière d'architecture numérique, Mounir Abdkrimi avait également clairement identifié une amélioration possible dans la génération du signal utilisé pour sonder les KID. Ce générateur repose sur un algorithme CORDIC couramment utilisé pour générer des signaux sinusoïdaux. Cependant, il apparaît qu'un simple signal carré offre une mesure tout aussi bonne sans ajouter de bruit aux autres pixels. En revanche, cela pourrait accentuer la limitation due à la saturation du DAC. Une simulation et une implémentation sont nécessaires pour quantifier les gains en ressources, en conservant la même limitation de puissance par ton. Par ailleurs, des indicateurs de performance clés tels que le SINAD, le SFDR, la diaphonie et l'utilisation des ressources matérielles devront être étudiés avec soin pour déterminer le meilleur compromis.
Pour mener à bien ses travaux, la, ou le, doctorant·e pourra s'appuyer sur les derniers développements réalisés par l'équipe électronique. Cette nouvelle électronique corrige la limitation de bruit de la version précédente et permet une augmentation significative de la bande passante du signal de sortie.
Les détecteurs supraconducteurs à inductance cinétique (KID) sont utilisés, entre autres, pour la radioastronomie millimétrique. Les KIDs sont des résonateurs RF qui fonctionnent à des températures cryogéniques (100mK), dont la fréquence de résonance, dans une gamme de fréquence comprise entre 1,3 GHz et 2.5 GHz, est sensible aux photons millimétriques. Pour les mettre en oeuvre, il faut utiliser des techniques de multiplexage fréquentiel pour en sonder le nombre le plus élevé possible avec une seule ligne de transmission ; autrement dit chaque KID a sa fréquence de résonance propre, avec un très haut facteur de qualité, ce qui permet de les mettre en série sur une même ligne de transmission. Des électroniques de lecture spécifiques ont été développées au LPSC La personne recrutée en tant que doctorant·e rejoindra l'équipe électronique du LPSC et travaillera en étroite collaboration avec nos collègues locaux - physicien·nes, astronome et cosmologiste.
Elle ou il sera chargé·e des tâches suivantes :
- Porter le firmware sur la nouvelle carte électronique de lecture.
- S'appuyant sur les travaux précédents, elle ou il définira la nouvelle modélisation nécessaire pour mieux comprendre les limitations du système complet et identifier les axes d'optimisation. Elle ou il procédera également aux optimisations jugées pertinentes.
- Mettre en oeuvre ces optimisations dans des conditions pratiques afin de valider intégralement ses travaux. Le travail commencera par une étude bibliographique, qui permettra d'extraire les enjeux et les pistes d'optimisations.
Ensuite, il faudra étudier les différentes piste d'optimisation par simulation (VHDL, ou clone numérique python), jusqu'à proposer une architecture synthétisable pour notre cible FPGA. Enfin procéder à implémentation et au test et caractérisation.

- Bac +5 en électronique et/ou microélectronique (ingénieur ou master 2)
- Connaissance de l'électronique numérique (mise en oeuvre de FPGA, DSP)
- Connaissance des techniques de traitement du signal numérique (concevoir et simuler une solution de traitement)
- Connaissance des langages VHDL, C et/ou C++ et python