Thèse Photodiodes Télécoms Ultra-Rapides de Nouvelle Génération pour la Génération de Signaux Radiofréquence et Térahertz H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Cependant, la puissance de sortie des sources THz basées sur le photomélange reste aujourd'hui limitée à quelques dizaines de microwatts. Cette limitation provient principalement du compromis entre la réduction de la taille des photodétecteurs, nécessaire pour minimiser leur capacité électrique et atteindre de très grandes bandes passantes, et la nécessité de maintenir un photocourant élevé afin de générer une puissance THz significative.

Les photodiodes PIN à transport unipolaire modifié (MUTC) représentent actuellement l'état de l'art pour les applications optoélectroniques à très haute vitesse et à forte puissance. Grâce à une ingénierie optimisée du transport des porteurs et des régions d'absorption, ces dispositifs permettent d'atteindre des courants de saturation très élevés tout en conservant une large bande passante.

L'objectif de cette thèse est de concevoir et d'étudier de nouvelles architectures de photodiodes télécoms ultrarapides compatibles avec les lasers à 1550 nm, destinées à la génération de signaux radiofréquence et térahertz. Plusieurs architectures innovantes seront explorées, notamment des structures à cavité résonante, des photodiodes intégrées sur guide d'onde optique, ainsi que des architectures distribuées sur guide d'onde THz permettant l'addition cumulative du courant généré par plusieurs dispositifs.

Les structures seront étudiées par modélisation optoélectronique et électromagnétique, puis intégrées dans des émetteurs THz expérimentaux. Ce travail contribuera au développement de nouvelles sources photoniques THz compactes et performantes. Les technologies THz sont considérées comme une composante clé des futurs systèmes de communication et de détection. Les sources basées sur le photomélange offrent une solution particulièrement attractive pour la génération de signaux THz en régime continu, grâce à leur large bande de fonctionnement et leur compatibilité avec les technologies télécom.

Cependant, les performances de ces sources sont aujourd'hui limitées par les caractéristiques des photodétecteurs utilisés. L'amélioration de la densité de photocourant et du courant de saturation des photodiodes constitue donc un enjeu majeur pour augmenter la puissance THz générée.

Les photodiodes MUTC représentent une architecture particulièrement prometteuse pour répondre à ces défis. L'exploration de nouvelles géométries de dispositifs et de nouvelles architectures intégrées pourrait permettre d'atteindre des puissances THz de l'ordre du milliwatt. Les objectifs scientifiques de cette thèse sont :
- concevoir de nouvelles architectures de photodiodes ultrarapides compatibles avec les lasers télécom à 1550 nm
- optimiser le compromis entre bande passante, courant de saturation et linéarité à forte puissance optique
- étudier différentes architectures de dispositifs (cavité résonante, guide d'onde optique, structures distribuées sur guide d'onde THz)
- concevoir et modéliser des émetteurs THz basés sur ces photodiodes
- démontrer expérimentalement des dispositifs capables d'améliorer la puissance des sources THz photoniques. La méthodologie reposera sur plusieurs étapes :
1. Modélisation de dispositifs
Simulation des structures de photodiodes à l'aide d'outils de simulation de dispositifs semi-conducteurs (SILVACO).
2. Simulation optique et électromagnétique
Étude du couplage optique et des structures RF/THz à l'aide de logiciels de simulation tels que Lumerical et CST.
3. Conception de dispositifs et d'émetteurs THz
Conception d'architectures optimisées de photodiodes et d'émetteurs THz intégrés.
4. Fabrication et caractérisation expérimentale
Participation à la fabrication des dispositifs en salle blanche et aux premières caractérisations THz sur les plateformes expérimentales de l'IEMN.