Jury :

Le jury sera constitué de :

* Mme Florence PODEVIN (rapporteure), INP – Université de Grenoble
* Mr Renato NEGRA (rapporteur), RWTH – Aachen
* Mme Christelle AUPETIT-BERTHELEMOT (examinatrice), XLIM – Université de Limoges
* Mr Deji AKINWANDE (examinateur), University of Texas – Austin
* Mr Mario LANZA (examinateur), King Abdullah University of science and technology – Thuwal Arabie Saoudite
* Mr Henri HAPPY (directeur de thèse), IEMN – Université de Lille
* Mr Emiliano PALLECCHI (examinateur), IEMN – Université de Lille
* Mr Guillaume DUCOURNAU (invité), IEMN – Université de Lille

Résumé :

La croissance exceptionnelle du marché des télécommunications due à la révolution digitale en cours et l’importance dans notre vie de tous les jours de l’internet des objets, a entrainé le développement de nombreux systèmes de communications sans fils. De nouveaux systèmes sont envisagés dans des gammes de fréquence peu utilisées jusqu’à présent, telles que les bandes de fréquence au-delà de 100GHz. Ces bandes de fréquence peuvent supporter des débits importants. Pour ces systèmes, il est nécessaire de proposer des commutateurs haute fréquence qui puissent router les signaux de manière efficace à ces fréquences.
Dans cette thèse, nous proposons de développer des commutateurs RF fonctionnant à très haute fréquence (>100GHz) et fabriqués à partir de matériaux qui ont émergés ces dernières années : les matériaux 2D. Ces commutateurs sont constitués d’une à quelques monocouches de matériau 2D, insérées entre deux électrodes métalliques.
Ce travail de thèse a été financé par le projet ANR SWIT n° ANR-19-CE24-0004-01, sous la coordination du Dr. Emiliano PALLECCHI, et en partenariat avec le CEA LETI, IMEP-LaHC. Les composants ont été conçus et fabriqués en utilisant du disulfure de molybdène (MoS2) avec 3 et 6 monocouches atomiques dont la croissance est faite au LETI. Compte tenu du mode de fonctionnement de ces composants, la commutation s’effectue en appliquant une rampe en tension positive ou négative pour le faire commuter. Différentes combinaisons de métaux ont été explorées. Ces commutateurs s’insèrent facilement dans les structures de propagation de type coplanaire. La caractérisation de ces composants jusqu’à 67GHz a permis d’obtenir des pertes d’insertion autour de -1dB (dispositif à l’état ON) et une isolation de -25dB (dispositif à l’état OFF) à 67GHz. La caractérisation et l’analyse des propriétés non linéaires de ces commutateurs (IP3 de l’ordre de 35 dBm) a été effectuée. Ceci nous a permis de développer un modèle de simulation sous ADS®, qui s’appuie sur les caractéristiques I-V pour prédire leur comportement non linéaire.
Une collaboration sur cette thématique a été menée avec l’Université du Texas à Austin. Dans ce cadre, des commutateurs avec une monocouche atomique ont été fabriqués (U. Texas-Austin) et caractérisés à l’IEMN.
Dans une première phase, des commutateurs à base d’une monocouche de nitrure de bore (hBN) ont été étudiés. Ces dispositifs ont été caractérisés jusqu’à 220 GHz, et les performances de ce type de commutateur ont été validés en les intégrant avec succès dans un système de transmission à haut débit avec une porteur à 100GHz (modulation tout ou rien – On Off Keying OOK – avec un débit de 8,5 Gbits.s-1).
Dans une seconde phase, l’optimisation des structures de propagation, couplée à la fabrication de commutateurs à base d’une monocouche de MoS2, nous a permis de valider le comportement des commutateurs pour des signaux jusqu’à 500GHz. Nous avons ainsi pu montrer que ces derniers commutateurs répondaient aux normes du standard IEEE de la future norme 6G pour les télécommunications. En effet, en considérant une porteuse à 320 GHz, différents schémas de modulation ont été testés et nous avons atteint un débit maximal de 100GBit.s1 pour une modulation d’amplitude en quadrature (QAM 16). Un démonstrateur avec un flux vidéo en temps réel intégrant ces commutateurs a été testé et validé avec succès.

Abstract :

The exceptional growth of the telecommunication market due to the ongoing digital revolution and the importance of the Internet of Things in our daily lives, has led to the development of numerous wireless communication systems. New systems are being considered in frequency ranges that have been little used until now, such as frequency bands above 100GHz. These frequency bands can support high data rates. For these systems, it is necessary to propose high frequency switches that can route signals efficiently at these frequencies.
In this thesis, we propose to develop RF switches operating at very high frequencies (>100GHz) and made from materials that have emerged in recent years: 2D materials. These switches are made of one to a few monolayers of 2D material, inserted between two metallic electrodes.
This thesis work was funded by the ANR SWIT project n° ANR-19-CE24-0004-01, under the coordination of Dr. Emiliano PALLECCHI, and in partnership with CEA LETI, IMEP-LaHC. The components have been designed and fabricated using molybdenum disulfide (MoS2) with 3 and 6 atomic monolayers grown at LETI. Given the mode of operation of these components, switching is done by applying a positive or negative voltage ramp to make it switch. Different combinations of metals have been explored. These switches are easily inserted in coplanar propagation structures. The characterization of these components up to 67GHz has resulted in insertion losses around -1dB (device in ON state) and isolation of -25dB (device in OFF state) at 67GHz. The characterization and analysis of the non-linear properties of these switches (IP3 of the order of 35 dBm) has been performed. This allowed us to develop a simulation model under ADS®, which relies on the I-V characteristics to predict their nonlinear behavior.
A collaboration on this topic was conducted with the University of Texas at Austin. In this context, switches with an atomic monolayer have been fabricated (U. Texas-Austin) and characterized at the IEMN.
In a first phase, switches based on a boron nitride (hBN) monolayer have been studied. These devices have been characterized up to 220 GHz, and the performances of this type of switch have been validated by successfully integrating them in a high speed transmission system with a carrier at 100GHz (On Off Keying (OOK) modulation with a data rate of 8.5 Gbits.s-1).
In a second phase, the optimization of propagation structures, coupled with the fabrication of switches based on a MoS2 monolayer, allowed us to validate the behavior of the switches for signals up to 500GHz. We were thus able to show that these switches met the IEEE standard for the future 6G telecommunications standard. Indeed, considering a carrier at 320 GHz, different modulation schemes were tested and we reached a maximum data rate of 100GBit.s1 for a quadrature amplitude modulation (QAM 16). A demonstrator with a real time video stream integrating these switches has been tested and validated successfully.