Surface électromagnétique programmable aux fréquences sub-THz à base de commutateurs à matériaux à changement de phase // Sub-THz programmable electromagnetic surfaces based on phase change material switches

La conception et le développement de surfaces rayonnantes pour la formation électronique de faisceau, la modulation spatio-temporelle, la détection et la conversion de fréquence est un enjeu important pour des nombreuses applications aux fréquences sub-THz (0.1-0.6 GHz). Parmi ces applications on peut mentionner l’imagerie médicale et le contrôle industriel, l’observation de la terre et de l’espace profond, ainsi que les radars et les systèmes futurs de télécommunication très large bande. Dans ce contexte, les (Meta)Surfaces Intelligentes et Reconfigurables (RIS) sont une technologie de rupture. Leur utilisation permet de contrôler et former le rayonnement aux fréquences sub-THz de manière hybride analogique / numérique. Pour démocratiser la technologie RIS, il sera crucial de réduire sa consommation d'énergie de deux ordres de grandeur. Cependant, l'état de l'art ne répond pas aux exigences d'intégration, de modularité, de bande passante large et de haute efficacité.
Sur la base de nos résultats de recherche récents, l'objectif principal de ce projet de thèse sera de démontrer des nouvelles architectures de RIS à base de silicium à 140 GHz et 300 GHz. L'amélioration des performances du RIS THz découlera d'un choix judicieux de la technologie de fabrication et de nouvelles conceptions de méta-atomes (également appelées cellule unitaire ou élément) à large bande avec des commutateurs intégrés de type PCM (materiaux à changement de phase). La possibilité de contrôler dynamiquement l'amplitude des coefficients de transmission des méta-atomes, en plus de leur phase, sera également étudiée. Un éclairage en champ proche sera introduit pour obtenir un profil ultra-compact. A notre connaissance, cela constitue une nouvelle approche pour la conception d'antennes à gain élevé dans la gamme de fréquence sub-THz.
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Spatiotemporal manipulation of the near- and far-electromagnetic (EM)-field distribution and its interaction with matter in the THz spectrum (0.1-0.6 THz) is of prime importance in the development of future communication, spectroscopy, imaging, holography, and sensing systems. Reconfigurable Intelligent (Meta)Surface (RIS) is a cutting-edge hybrid analogue/digital architecture capable of shaping and controlling the THz waves at the subwavelength scale. To democratize the RIS technology, it will be crucial to reduce its energy consumption by two orders of magnitude. However, the state-of-the-art does not address the integration, scalability, wideband and high-efficiency requirements.
Based on our recent research results, the main objective of this project will be to demonstrate novel silicon-based RIS architectures s at 140 GHz and 300 GHz. The enhancement of the THz RIS performance will derive from a careful choice of the silicon technology and, from novel wideband meta-atom designs (also called unit cell or element) with integrated switches based on PCM (phase change material). The possibility of dynamically controlling the amplitude of the transmission coefficients of the meta-atoms, besides their phase, will be also investigated. Near-field illumination will be introduced to obtain an ultra-low profile. To the best of our knowledge, this constitutes a new approach for the design of high-gain antennas in the sub-THz range.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Technologies Sans Fils
Laboratoire : Laboratoire Antennes, Propagation, Couplage Inductif
Date de début souhaitée : 01-05-2025
Ecole doctorale : MAthématiques, Télécommunications, Informatique, Signal, Systèmes, Électronique (MATISSE)
Directeur de thèse : CLEMENTE Antonio
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DSYS/STSF/LAPCI
URL : https://www.linkedin.com/in/antonio-clemente-antenna/
URL : https://scholar.google.fr/citations?user=AdrUpwYAAAAJ&hl=fr

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Technologies Sans Fils