Photodiodes télécoms ultra-rapides de nouvelle génération pour la génération de signaux radiofréquence et térahertz // Next-Generation Ultra-Fast Telecom Photodiodes for RF & THz Generation

Le domaine des ondes térahertz (THz) suscite un intérêt croissant en raison de ses nombreuses applications potentielles dans les communications ultra-haut débit, la spectroscopie, l'imagerie et les systèmes radar. Parmi les différentes approches de génération de signaux THz, le photomélange constitue l'une des solutions les plus prometteuses pour des sources fonctionnant en régime continu et à température ambiante. Cette technique repose sur la photodétection du battement de fréquence généré par la superposition spatiale de deux lasers infrarouges, permettant une conversion de fréquence depuis l'infrarouge (~300 THz) vers le domaine THz (~1 THz).

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.
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The terahertz (THz) frequency range has attracted significant interest due to its potential applications in ultrahigh-speed wireless communications, spectroscopy, imaging, and radar systems. Among the various approaches for THz signal generation, photomixing is one of the most promising techniques for continuous-wave sources operating at room temperature. This approach relies on the photodetection of the beat frequency generated by the spatial superposition of two infrared lasers, enabling frequency down-conversion from optical frequencies (~300 THz) to the THz range (~1 THz).

However, the output power of photomixing-based THz sources is currently limited to only a few tens of microwatts. This limitation arises mainly from the trade-off between minimizing the photodetector size to reduce its electrical capacitance and maintaining a sufficiently high photocurrent to generate significant THz power.

Modified uni-traveling-carrier (MUTC) photodiodes currently represent the state-of-the-art devices for high-speed and high-power optoelectronic applications. Thanks to optimized carrier transport engineering and absorption region design, these devices can achieve very high saturation currents while maintaining large bandwidth.

The objective of this PhD project is to design and investigate new architectures of ultrafast telecom photodiodes compatible with 1550 nm lasers for RF and THz signal generation. Several innovative device architectures will be explored, including resonant cavity photodiodes, waveguide-integrated photodiodes, and distributed photodiode structures integrated along THz waveguides to enable cumulative current generation and enhanced THz output power.

The devices will be studied through optoelectronic and electromagnetic simulations and integrated into experimental THz emitters. This research will contribute to the development of compact and efficient photonic THz sources.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Lille

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Nous recherchons un(e) candidat(e) titulaire d'un Master ou diplôme équivalent en physique, électronique, optoélectronique ou génie électrique. Le candidat devra posséder de solides bases en physique des semi-conducteurs et en optoélectronique. Une expérience en simulation de dispositifs ou en électromagnétisme (HFSS, CST, Lumerical, SILVACO, COMSOL, etc.) sera appréciée. Le candidat devra faire preuve d'un fort intérêt pour la recherche en physique appliquée, d'autonomie, de rigueur scientifique et d'une capacité à travailler dans un environnement de recherche collaboratif. Une bonne maîtrise de l'anglais scientifique est requise.
We are seeking a highly motivated candidate holding a Master's degree (or equivalent) in Physics, Electrical Engineering, Optoelectronics, or a related field. The candidate should have a solid background in semiconductor physics and optoelectronics. Experience with numerical simulations of devices or electromagnetic structures (HFSS, CST, Lumerical, SILVACO, COMSOL, etc.) will be considered an advantage. The candidate should demonstrate a strong interest in applied physics research, autonomy, scientific rigor, and the ability to work in a collaborative research environment. A good command of scientific English is required.