Thèse 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- H/F - 33

Établissement : Université de Bordeaux
École doctorale : Sciences Physiques et de l'Ingénieur
Laboratoire de recherche : Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système
Direction de la thèse : Cristell MANEUX
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59

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

Ce sujet de thèse est relatif au réseau d'accès à la périphérie du réseau de télécommunication. Il propose d'évaluer les performances du récepteur (efficacité énergétique, bande passante, bruit) ainsi que les voies d'optimisation en vue d'un fonctionnement cryogénique.