Intégration de photodiodes ultra-rapides sur niobate de lithium en couche mince pour la génération et la détection de signaux térahertz // High-Speed Photodiode Integration on thin film Lithium Niobate for THz Signal Generation and Detection

Au cours des dernières décennies, les photodiodes à transport unipolaire modifié (MUTC-PDs) basées sur des semi-conducteurs III–V se sont imposées comme les dispositifs les plus performants pour la conversion optique-électrique à très haute vitesse. Grâce aux progrès réalisés dans l'ingénierie épitaxiale, l'optimisation du transport des porteurs et les architectures à guide d'onde, ces dispositifs atteignent aujourd'hui des bandes passantes supérieures à 200 GHz, des responsivités supérieures à 0,8 A/W et permettent des démonstrations de transmission sans amplification jusqu'à 120 Gbit/s. Ces performances font des MUTC-PDs des composants essentiels pour l'interface entre les domaines optique et sub-THz/THz, notamment dans la perspective des futurs systèmes de communication 6G.

Parallèlement, la photonique intégrée connaît un développement rapide avec l'émergence du niobate de lithium en couche mince (Lithium Niobate on Insulator – LNOI). Cette plateforme combine de très faibles pertes optiques avec un coefficient électro-optique exceptionnel, permettant la réalisation de modulateurs et de circuits photoniques très performants. Des travaux récents ont également démontré la possibilité d'exploiter cette technologie dans le domaine térahertz, ouvrant la voie à de nouvelles architectures pour la génération, le traitement et la détection de signaux large bande.

La convergence de ces deux technologies – photodiodes III–V ultrarapides et circuits photoniques LNOI – offre des perspectives prometteuses pour le développement de dispositifs intégrés capables de générer et de détecter efficacement des signaux THz large bande. L'intégration de photodiodes UTC à très haute vitesse sur des guides d'onde LNOI pourrait permettre de combiner la rapidité intrinsèque des dispositifs III–V avec les propriétés électro-optiques du niobate de lithium.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité et la conception de photodiodes UTC intégrées sur une plateforme LNOI pour la génération et la détection de signaux THz. Le travail portera sur la modélisation du couplage optique, la conception des structures de photodiodes et l'optimisation des électrodes haute fréquence. Les dispositifs étudiés devront atteindre ou dépasser l'état de l'art actuel en termes de bande passante et d'efficacité. Cette thèse sera réalisée en collaboration avec l'équipe QuIN Photonics de la TU Delft, spécialiste de la photonique intégrée sur LNOI.
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Over the past decades, modified uni-traveling-carrier photodiodes (MUTC-PDs) based on III–V semiconductor materials have become the benchmark devices for ultrafast optical-to-electrical conversion. Continuous progress in epitaxial engineering, carrier transport optimization, and waveguide device architectures has enabled record performances, including bandwidths exceeding 200 GHz, responsivities above 0.8 A/W, and amplifier-free wireless transmission demonstrations at data rates up to 120 Gbit/s. These results confirm MUTC-PDs as key components for bridging optical and sub-THz/THz domains, particularly for emerging 6G communication systems.

At the same time, integrated photonics is undergoing rapid evolution with the emergence of lithium niobate on insulator (LNOI), also known as thin-film lithium niobate. This platform combines extremely low optical losses with a very strong electro-optic coefficient, enabling high-performance modulators and photonic circuits that already outperform several established technologies. Recent advances have also demonstrated the potential of LNOI devices in the terahertz frequency range, opening new possibilities for broadband signal processing and detection.

The convergence of these two technological developments – ultrafast III–V photodiodes and LNOI integrated photonics – offers new opportunities for the realization of compact integrated devices capable of generating and detecting broadband THz signals. Integrating UTC photodiodes on LNOI waveguides would allow combining the intrinsic speed of III–V optoelectronic devices with the electro-optic functionality of lithium niobate circuits.

The objective of this PhD project is to investigate the feasibility and design of waveguide-integrated UTC photodiodes on an LNOI platform for THz signal generation and detection. The research will focus on optical coupling modeling, photodiode architecture design, and optimization of high-frequency electrode layouts. The project will aim at reaching and potentially exceeding the current state-of-the-art in bandwidth-efficiency performance. The PhD work will be conducted in collaboration with the QuIN Photonics group at TU Delft, specialized in LNOI photonic circuit design and fabrication.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

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, photonique ou ingénierie électrique (EEA). Le/la candidat(e) devra posséder de solides bases en physique des semi-conducteurs, en propagation des ondes électromagnétiques et/ou en photonique intégrée. Une bonne connaissance des dispositifs optoélectroniques et des technologies micro- ou nano-électroniques sera appréciée. Une expérience en simulation numérique (électromagnétisme, photonique ou dispositifs semi-conducteurs) avec des outils tels que HFSS, CST, Lumerical, COMSOL ou SILVACO constituera un atout. Le/la candidat(e) devra faire preuve d'un fort intérêt pour la recherche en physique appliquée et pour le développement de dispositifs innovants. Des compétences en programmation scientifique (Python, Matlab ou équivalent) seront appréciées.Le/la candidat(e) devra également démontrer de bonnes capacités d'analyse, d'autonomie, ainsi qu'un esprit d'initiative et de travail en équipe dans un environnement de recherche international. Une bonne maîtrise de l'anglais scientifique, à l'écrit comme à l'oral, est requise.
We are seeking a highly motivated candidate holding a Master's degree (or equivalent) in Physics, Electrical Engineering, Optoelectronics, Photonics, or a related field. The candidate should have a solid background in semiconductor physics, electromagnetic wave propagation, and/or integrated photonics. Knowledge of optoelectronic devices and micro-/nano-electronic technologies will be considered an advantage. Experience with numerical simulations (electromagnetics, photonics, or semiconductor device modeling) using tools such as HFSS, CST, Lumerical, COMSOL, or SILVACO would be highly appreciated. The candidate should demonstrate a strong interest in applied physics research and device-level innovation. Skills in scientific programming (Python, Matlab, or similar tools) would also be beneficial. The successful candidate is expected to show strong analytical skills, autonomy, initiative, and the ability to work collaboratively in an international research environment. A good command of scientific English, both written and spoken, is required.