Reconfigurations multiples d’antennes et circuits micro-ondes à base de contrôles électriques et optiques indépendants – MACIEO

Pour atteindre les objectifs du projet MACIEO, plusieurs étapes intermédiaires seront d’abord nécessaires afin de lever certains verrous scientifiques et techniques :

i) Trouver la composition optimale des matériaux à base de chalcogénures en fonction de l'application visée. Ces matériaux sont connus pour leurs applications en stockage d’informations (DVD, mémoire vive, etc.) et sont prometteuses dans le contexte de la nanophotonique reconfigurable pour les métasurfaces et les circuits intégrés photoniques. Ils présentent également des performances a priori très intéressantes pour la conception de circuits micro-ondes reconfigurables. Cependant, de nombreuses caractéristiques doivent encore être étudiées (composition chimique, température de changement d'état, structure et densité cristallines, etc.) pour répondre aux exigences spécifiques de cette application. Ceci entrainant une variation plus ou moins importante de leurs conductivités électriques et de leurs propriétés optiques, un véritable travail d'optimisation des PCM est nécessaire pour obtenir un contraste de résistivité électrique élevé entre les deux états, une commutation de phase rapide, un grand nombre de cycles de commutation, etc.

ii) Optimiser les caractéristiques d'actionnement laser associées à la composition des chalcogénures. Plusieurs paramètres (longueur d'onde, fluence, largeur d'impulsion, etc.) influencent l'efficacité du recuit laser pour passer d'un état à l'autre. Ils doivent être optimisés en fonction de chaque composition et notamment de la composition optimale.

iii) Mettre en œuvre le processus de fabrication complet en veillant à la compatibilité des deux techniques (dopage du silicium, dépôt et mise en forme de couches minces de chalcogénure). Il conviendra de s'assurer que les étapes de dépôt et de mise en forme du chalcogénure préservent l'intégrité de la plateforme de silicium sous-jacente (dopage, etc.) et que le signal utilisé pour commuter le chalcogénure n'aura pas d'impact sur le comportement des zones dopées, et inversement.

Ces premières étapes alimenteront progressivement l'autre volet du projet MACIEO, dédié à la conception, la fabrication et la mesure de démonstrateurs. MACIEO vise à démontrer l'intérêt d'une telle hybridation de ces deux techniques pour accroître les performances de reconfiguration des circuits et antennes micro-ondes en multipliant les caractéristiques contrôlées et/ou les plages de variation, tout en minimisant la complexité de conception. Une telle hybridation ouvrira la voie à de nouvelles possibilités de reconfiguration, impensables jusqu'à présent avec une seule technique de reconfiguration. Les principaux démonstrateurs visés sont i) des filtres passe-bande avec contrôle indépendant de leur fréquence centrale et de leur bande passante ; ii) des surfaces intelligentes réfléchies (RIS) avec contrôle simultané de plusieurs paramètres (balayage du faisceau, polarisation, etc.).

À mi-projet, nous respectons le planning initial. Trois personnes ont été engagées, un post-doc à l’ISCR (F. ANGAY) et 2 doctorants, T. PARTHIPAN (FOTON/IETR) et A. RAFIQUEE (Lab-STICC/IETR). Nous nous sommes consacrés à la mise en place des briques élémentaires nécessaires à la conception des démonstrateurs finaux. Ces briques sont maintenant presque toutes en place et la conception de ces démonstrateurs a pu débuter.

Dans le WP1, la première phase de ce projet a permis à F. ANGAY d’établir les conditions de dépôts des matériaux à changement de phase (PCM) pour obtenir des couches présentant les compositions et les épaisseurs souhaitées en se basant sur des compositions connues (GeTe ou Ge2Sb2Te3 (GST)). Ceci nous permet de bénéficier de premiers matériaux pour la détermination de leurs caractéristiques optiques et électriques, des paramètres d’illumination permettant leur changement d’état ou encore pour réaliser des premiers circuits hyperfréquences reconfigurables. Différentes techniques de caractérisations de ces matériaux ont été utilisées tant à l’ISCR qu’à FOTON. T. PARTHIPAN a conçu une méthode fiabilisant la détermination de la résistivité des matériaux quel que soit l’état du PCM, a mis en place une première version du système d’illumination laser et a débuté les études d’illumination des couches de PCM.

Les tâches du WP2 dédiées à au processus de fabrication complet ont également bien avancé. Un procédé de planarisation permettant la co-intégration de couches épaisses métalliques (Al, 1µm) et de fines couches traversantes de GST (100 Nm) indispensable au design des circuits micro-ondes a été développé. Les derniers essais en cours à FOTON concernent la possibilité de protéger à la fois les couches métalliques d’un point de vue mécanique et les couches de PCM pour minimiser les risques d’oxydation. Des premiers circuits de caractérisation hyperfréquence de ces couches (conductivité, permittivité, pertes, etc.) sont en développement. Des premiers circuits seront réalisés début 2026. Des travaux sont aussi en cours pour mettre en place une plateforme d’automatisation des tests. Un stagiaire travaille actuellement à FOTON sur ce sujet.

Dans le cadre du WP3 et dans l’attente de la stabilisation du processus technologique complet, nous avons pris le parti de développer quelques premiers circuits n’utilisant que la technique de reconfiguration basée sur le dopage localisé du silicium. Ainsi, A. RAFIQUEE a conçu des antennes patchs, seules et en réseaux, et des filtres en technologie microruban. Ces circuits à reconfiguration simple serviront d’éléments de référence vis-à-vis des futurs démonstrateurs à reconfiguration multiple.

Enfin, le WP4 qui a pour objectif le développement d’un démonstrateur plus avancé, n’a pas encore commencé puisque nous attendions d’avancer suffisamment sur les briques de bases au préalable. Il sera l’un des objectifs principaux des travaux concernant le développement de démonstrateurs dès le printemps 2026.

La seconde moitié du projet MACIEO sera dédiée à l’optimisation des PCM vis-à-vis des applications visées, à la mise au point et à l’optimisation de l’illumination laser permettant le changement de leur phase, à l’association des deux solutions de reconfiguration étudiées et à la mise au point de divers démonstrateurs.

Dans le WP1, nous nous concentrerons sur l’optimisation des PCM pour les applications de reconfiguration de circuits et antennes hyperfréquences. L’objectif principal est d’améliorer la conductivité des PCM dans leur état cristallin pour minimiser les pertes dans les circuits hyperfréquences. Plusieurs solutions sont envisagées et des premiers dépôts à base de GST modifiés ont été effectués ces dernières semaines à l’Université de Pardubice (Tchéquie) par F. ANGAY dans le cadre d’une collaboration avec l’ISCR. Les caractérisations des compositions obtenues sont en cours.

Début 2026, l’équipe FOTON finalisera la mise au point du processus de fabrication complet. Nous évaluerons notamment les interactions potentielles entre les zones dopées et les PCM et établirons un guide pour la conception des futurs circuits et antennes à double reconfiguration. Les travaux sur l’automatisation des tests et de l’illumination laser se poursuivront par le développement d’un banc de test dédié, d’éléments de calibrage et de divers codes d’automatisation des tâches.

Les premiers démonstrateurs du WP3 seront fabriqués début 2026. Ils seront alors caractérisés pour valider les premiers concepts proposés dans MACIEO. Cela nous fournira des informations sur les caractéristiques et contraintes technologiques facilitant les conceptions suivantes. De nouveaux démonstrateurs mêlant les deux solutions de reconfiguration sont actuellement en développement : i) une structure filtrante proposant diverses configurations (passe-bas, passe-bande, stop-bande), et ii) des antennes contrôlant leur fréquence centrale à l’aide de jonctions semi-conductrices et leur diagramme de rayonnement avec des PCM.

Le WP4 se lancera au printemps 2026 avec l’ambition de développer des surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) capables de contrôler à la fois la polarisation et la direction de pointage de l’onde réfléchie. Une première version à double polarisation linéaire uniquement et une seconde ajoutant des polarisations circulaires seront conçues.

Enfin, un travail important de valorisation de MACIEO sera fait sous la forme de publications dans des journaux et des conférences. Une attention particulière sera donnée à la possibilité de breveter une partie des travaux. Cette valorisation passera aussi par une phase de vulgarisation à destination du grand public à travers le site web du projet et des présentations dans diverses manifestations (Fêtes de la Science, CMA RIS3, etc.). Pour donner une suite à MACIEO, des discussions avec différents partenaires industriels et étatiques seront faites pour cibler de futures applications potentielles et monter en TRL.

Le projet MACIEO a pour objectif de proposer de nouvelles solutions pour augmenter les capacités de reconfiguration d’antennes et circuits micro-ondes pour les futurs systèmes de communication civils ou militaires : xG, IoT, constellations de satellites, etc. Pour cela, 2 solutions innovantes seront combinées pour permettre de multiplier les capacités et performances de reconfiguration d’un composant tout en minimisant la complexité de conception associée, ouvrant ainsi un nouveau paradigme en terme de reconfiguration de circuits et antennes micro-ondes.
La première solution se base sur le contrôle électrique de jonctions semi-conductrices directement intégrées dans un substrat par dopage localisé. Ceci élimine certaines contraintes de fabrication associées aux solutions traditionnelles (report de composants, interconnexion, vias métallisés, etc.) et offre une grande flexibilité en termes de tailles ou de formes des jonctions permettant le contrôle simultané de plusieurs jonctions à partir d’un seul signal électrique de commande. En outre, une co-conception des éléments actifs et passifs est ainsi possible lors du design de circuits et antennes reconfigurables. La seconde solution se base sur le contrôle optique de l’état de phase (amorphe/cristalline) de matériaux à changement de phase (PCM). Il s’agira dans le cadre du projet MACIEO de couches minces de chalcogénures qui offrent une forte variation de leur conductivité électrique (5 à 7 ordres de grandeur). Ces matériaux n'ont en outre pas besoin d’une alimentation permanente, seul le changement de phase nécessitant une impulsion laser de quelques dizaines de nanosecondes. La première solution permettant le contrôle de nombreuses jonctions avec un seul signal électrique et la seconde utilisant un signal optique à partir de lasers, leur combinaison en une structure hybride multiplie les fonctionnalités offertes par un composant en minimisant le nombre de circuits de polarisation et d’isolation ou de composants reportés.
L’apport du projet MACIEO se fera à plusieurs niveaux. Un travail important d’étude et d’optimisation des couches minces de chalcogénures et de leur commande optique laser sera effectué en vue des applications de reconfiguration hyperfréquence visées ici. L’hybridation des deux solutions sera mise en œuvre à travers le développement d’un procédé de fabrication complet assurant le bon fonctionnement simultané des deux techniques de reconfiguration. Plusieurs preuves de concept seront également développées avec une complexité croissante pour mettre en lumière les avantages et intérêts d’une telle association hybride de techniques de reconfiguration indépendantes. Tout d’abord, des filtres en technologie planaire puis en technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide) offrant une reconfiguration simultanée et indépendante en fréquence centrale et en bande passante seront conçues, fabriquées et mesurées. Un projet plus ambitieux de surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) utilisant l’hybridation de ces deux techniques de reconfiguration permettra de reconfigurer la polarisation et d’effectuer un balayage du faisceau simultanément. L’ensemble des prototypes sera développé aux fréquences millimétriques, autour de 30 GHz, compte-tenu des nombreuses applications potentielles qui s’y développent.
Ce projet multidisciplinaire se déroulera sur 48 mois et réunira 4 partenaires académiques de domaines variés et complémentaires : l’ISCR (étude et optimisation des couches minces de chalcogénures), l’institut FOTON (micro- et nanofabrication, contrôle optique laser), l’IETR (design de circuits et antennes reconfigurables), et le Lab-STICC (co-design de circuits passifs et de jonctions semiconductrices).