Vers la cryophotonique : Modélisation compacte de photodiode UTC (Uni-Traveling Carrier) aux températures cryogéniques pour atteindre le fonctionnement optimal d'un amplificateur optique à semi-conducteurs (SOA) // Towards Cryophotonics: Compact modelling

Vers des réseaux de télécommunications à zéro émission nette
L'empreinte carbone des réseaux de communication est un problème clé. En raison de l'augmentation de la demande de débits, les émissions de gaz à effet de serre (GES) associées augmentent continuellement, le réseau d'accès représentant 85 % de la contribution au scope 2 du protocole GES. Pour atteindre l'objectif de la COP 21, les émissions nettes nulles doivent être atteintes d'ici 2040.
Le réseau d'accès est à la périphérie du réseau de télécommunication ; il connecte des milliards d'utilisateurs via le réseau mobile et par fibre optique dont la demande de débit augmente du fait des nouveaux usages comme l'IA, la conduite autonome, la e-santé ou l'industrie 4.0. Afin de répondre à cette demande, l'UIT1 a publié de nouvelles normes fournissant jusqu'à 100 ou 200 Gbit/s, induisant des défis en termes de performances des composants photoniques pour assurer à la fois le débit et la portée. Une solution prometteuse est l'association d'un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) avec une photodiode à grande vitesse, UTC (Uni-Traveling Carrier). Il permet une architecture de modulation d'intensité à faible complexité dans le réseau d'accès. Concevoir une nouvelle génération de composants est coûteux. Par conséquent, toute innovation dans le paradigme d'architecture de réseau serait considérée comme une percée disruptive.
La cryophotonique comme innovation de rupture
Les propriétés des semi-conducteurs dépendent de la température. Jusqu'à aujourd'hui, la cryogénie n'a pas été utilisée dans les réseaux de télécommunications. Cependant, une innovation disruptive pourrait changer la donne : la cryophotonique, c'est-à-dire le fonctionnement des composants télécom à des températures cryogéniques.
Récemment, le Lab-STICC et Air Liquide ont introduit la cryophotonique2. Comparé à la température ambiante, le gain de la puce à 120K est augmenté de +15dB, la puissance de saturation de +3dB et le facteur de bruit réduit de 6dB. De plus, l'efficacité est 10 fois supérieure. Cela permet d'envisager des performances sans précédent des émetteurs et récepteurs cryo-refroidis.
Considérer le refroidissement comme une ressource partagée implique d'avoir une vue d'ensemble du réseau pour définir les contraintes et identifier les gains potentiels en termes d'empreinte carbone et de consommation d'énergie.
Le refroidissement des composants à des températures aussi extrêmes s'accompagne d'une multitude d'inconnues scientifiques au niveau fondamental. Quel est le comportement exact de chaque composant en fonction de la température (niveau puce) ? Comment prendre en compte les effets induits par la température lors de la conception du composant ? Quel est le comportement de l'association de plusieurs composants en fonction de la température ? Comment coupler efficacement les composants optiques (niveau packaging) ? Quelle est la température de fonctionnement optimale pour un niveau donné de performance (équilibre entre performance optimale et efficacité énergétique, interaction entre les niveaux) ?
En collaboration avec III-V Lab, ce sujet de thèse propose d'évaluer les performances du récepteur (efficacité énergétique, bande passante, bruit) ainsi que les voies d'optimisation en vue d'un fonctionnement cryogénique.
1 UIT : L'Union internationale des télécommunications, https://www.itu.int/fr/Pages/default.aspx#/fr
2 M. Franco et al., 'Towards Cryophotonics: Experimental Characterization of SOA at Cryogenic Temperatures', IEEE Photonics Journal, 2023. DOI: 10.1109/JPHOT.2022.3231651
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Rather than optimizing room-temperature operation at the margins, this Ph. D. Thesis subject investigates the innovative concept of cryophotonics, the operation of photonic components at cryogenic temperature to achieve significant performance improvement. The ambition is to demonstrate a highly efficient and compact optical pre-amplified receiver made-out of the monolithic association of a Semiconductor Optical Amplifier (SOA) and a Uni-Travelling-Carrier (UTC) Photo-Diode (PD), both operating at cryogenic temperature.
A SOA is a compact photonic device that amplifies optical signals using a semiconductor gain medium. When electrically biased, it boosts an incoming light signal through stimulated emission. SOAs offer broadband gain and chip‑scale integration, making them useful in photonic integrated circuits.
Unlike a conventional PD, a UTC-PD is a photonic device that convert light into current using only electron as the active carriers, thanks to the use of a thin P-doped absorber associated with a transparent collector layer. Etching it into the same Indium Phosphide chip as the SOA, positioned at its input, allows to increase the sensitivity of the resulting receiver [BRE24].
The interest of a cryocooled SOA from the network-level perspective is to boost the optical budget of the associated communication link. The interest of a cryocooled UTC-PD is to speed-up the electro-optical bandwidth while also reducing the dark current. Altogether, this cryocooled SOA + UTC-PD receiver should offer an enhanced responsivity, x8.7 times better than the state-of-the-art performance at room temperature.
The objectives of this Ph. D. Thesis lie on its disruptive approach, forging the premises of a new industrial sector exploiting cryophotonics in telecoms. Previous work carried out by Lab-STICC [FRA23], already established the feasibility of the cryogenic operation of a SOA.
Since the carrier mobility increases at cryogenic regime, the UTC-PD should also benefit of an increased electro-optical bandwidth. However, to date, no such practical demonstration exists. The devices fabricated by III-V lab [CAI23] and measured by IMS will bring the demonstration beyond the room temperature state-of-the-art performances.
Furthermore, at simulation level, there is not yet software tool for cryodesign, the design of cryocooled optoelectronic devices. However, Lab-STICC has already advanced in that direction, working on a SOA. Thanks to this Ph. D. Thesis, IMS will take a new step forward, proposing beyond the state-of-the-art of the UCT-PD compact models considering cryogenic operation.
Hence, two Ph.D. Thesis objectives are defined:
Objective 1 is dedicated to the temperature-dependent electro-photonic characterization of the UTC-PD allowing performance extractions. The performances will be assessed at chip level using a specific test bench. We plan to adapt a cryogenic probe station (CPB). The characterization will cover the temperatures down to 100K, sufficient to cover access-network use case. We will define a specific radiofrequency (RF) calibration procedure to retrieve real chip-level parameters. This will allow a full temperature-dependent characterization of the UTC-PD characteristics down to 100K.
The development of cryotelecoms industrial sector relies on the capacity to predict temperature-dependent behaviour. Hence, Objective 2 is to develop simulation tools able to reproduce the temperature-dependent behaviour of UTC-PD device. Our methodology consists in updating component's physically-informed compact models. Together with better scientific understanding, these models will ultimately feed design guidelines at the semiconductor industry level unlocking the potential of semiconductor manufacturers to achieve chip designs operating at cryotemperature.
[BRE24] L. Breynes et al., DOI: 10.1364/OFC.2024.Tu3H.1
[CAI23] C. Caillaud et al., DOI: 10.1049/icp.2023.2336
[FRA23] M. Franco et al., DOI: 10.1109/JPHOT.2022.3231651
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral de l'ED

Université de Bordeaux

209 Sciences Physiques et de l'Ingénieur