Thèse Modélisation et Fabrication de Réseaux Linéaires de Photodétecteurs Ultrarapides pour la Génération et la Détection d'Ondes Thz. H/F - 59

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 : 2026-05-06T23:59:59Le domaine des ondes térahertz (THz) connaît un développement rapide en raison de ses applications potentielles en imagerie, spectroscopie, télécommunications à très haut débit et détection. Parmi les différentes technologies existantes, les sources THz basées sur le photomélange constituent une solution particulièrement attractive car elles fonctionnent en régime continu, à température ambiante et offrent une large bande de fonctionnement. Cette technique repose sur la détection optoélectronique du battement de fréquence généré par la superposition de deux lasers infrarouges, permettant une conversion de fréquence depuis l'infrarouge (~300 THz) vers le domaine THz (~1 THz).

Cependant, la puissance générée par les photomélangeurs reste limitée, typiquement de l'ordre de quelques dizaines de microwatts à 1 THz. Cette limitation provient principalement du compromis entre la réduction de la capacité électrique des photodétecteurs, qui impose des dimensions très faibles, et la nécessité d'obtenir un photocourant élevé afin de générer une puissance THz significative.

Une approche prometteuse pour dépasser cette limitation consiste à utiliser des réseaux de photodétecteurs ultrarapides permettant l'addition cohérente des courants générés par plusieurs composants élémentaires. Ces architectures permettent d'augmenter le courant de saturation et la puissance générée tout en conservant une large bande passante.

L'objectif de cette thèse est de concevoir, modéliser, fabriquer et caractériser des réseaux linéaires de photodétecteurs ultrarapides destinés à la génération et à la détection d'ondes THz. Des méthodes analytiques basées sur les matrices de transfert seront d'abord utilisées afin d'établir des règles de conception optimales. Des simulations électromagnétiques 3D seront ensuite réalisées afin de concevoir un réseau de huit photodétecteurs. Les dispositifs seront fabriqués sur les plateformes de micro-fabrication de l'IEMN puis caractérisés optiquement et électriquement jusqu'à 500 GHz.

Ces travaux devraient permettre de démontrer une nouvelle génération de photodétecteurs THz à très large bande passante (>300 GHz) et à fort courant de saturation, ouvrant la voie à des sources THz compactes et performantes.

Les ondes térahertz occupent une position intermédiaire entre les micro-ondes et l'infrarouge et présentent un fort potentiel pour de nombreuses applications scientifiques et industrielles. Cependant, la génération et la détection efficaces de ces ondes restent un défi technologique.

Les sources THz basées sur le photomélange constituent une solution particulièrement attractive car elles fonctionnent à température ambiante et offrent une large bande de fréquence. Toutefois, leur puissance de sortie reste limitée par les contraintes physiques des photodétecteurs ultrarapides.

L'utilisation de réseaux de photodétecteurs permettant l'addition cohérente des courants générés représente une approche prometteuse pour dépasser ces limitations et développer une nouvelle génération de dispositifs THz à haute puissance et large bande passante.

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et démontrer des réseaux linéaires de photodétecteurs ultrarapides capables d'améliorer significativement la puissance et la bande passante des dispositifs utilisés pour la génération et la détection d'ondes THz.

Les objectifs scientifiques sont :
-développer des modèles analytiques permettant d'optimiser l'architecture de réseaux de photodétecteurs,
-concevoir des structures optimisées à l'aide de simulations électromagnétiques 3D,
-fabriquer des réseaux de photodétecteurs sur les plateformes technologiques de l'IEMN,
-caractériser expérimentalement leurs performances optoélectroniques et RF jusqu'à 500 GHz.

Le travail de thèse s'articulera autour de trois axes principaux :
1.Modélisation analytique
Développement de modèles basés sur les matrices de transfert afin d'étudier l'interaction optique et électrique dans les réseaux de photodétecteurs et d'établir des règles de conception.
2.Simulation électromagnétique
Conception et optimisation des structures à l'aide de simulations électromagnétiques 3D par éléments finis ou différences finies (Ansys HFSS, CST, Lumerical).
3.Fabrication et caractérisation
Réalisation des dispositifs sur les plateformes de micro-fabrication de l'IEMN et caractérisation optique et RF jusqu'à 500 GHz