Section 08 Micro et nano-technologies, micro et nanosystèmes, électronique, photonique, électromagnétisme, énergie électrique

III. Photonique/Ondes

Cette thématique, très bien représentée et animée par le GDR Ondes, recouvre, d'une part, le domaine des ondes électromagnétiques sur une plage étendue du spectre(1), depuis l'électronique hyperfréquence jusqu'à certains composants XUV (y compris la gamme charnière des THz, en émergence) ; d'autre part le domaine des ondes acoustiques, notamment dans des guides structurés, périodiques ou quasi-périodiques (cristaux phononiques).

Le caractère « diffusant » des technologies considérées, qui s'appuient sur quelques principes génériques à vocation transverse, explique un éventuel recouvrement partiel avec d'autres sections. La diversité des fréquences de travail comme des champs applicatifs implique des problématiques spécifiques en termes de matériaux, supports, structures, systèmes, etc.

De façon générale, les recherches peuvent porter sur tout ou partie des points suivants :

sources : laser, antenne, LED, oscillateur ;contrôle : amplificateur, façonnage d'impulsion, mise en forme du front d'onde, optique adaptative, milieux structurés, métamatériaux ;transport : propagation en espace libre, guide d'onde, radio sur fibre, ligne de transmission, coupleur ;détection : antenne, photodétecteur, capteur, transducteur ;traitement : communications, imagerie, modulation, codage, cryptographie.

Parmi les sujets particulièrement étudiés, on note :

– la Photonique sur Silicium(2), enjeu industriel majeur lié à l'interconnexion optique à plusieurs échelles (entre baies, entre microprocesseurs et entre les puces au cœur même des microprocesseurs), et à la faculté d'employer les technologies compatibles CMOS de la micro-nanoélectronique, désormais bien maîtrisées ; l'objectif est de pouvoir faire face à l'augmentation exponentielle du trafic de données tout en diminuant la consommation énergétique des data centers ; le sujet est loin d'être épuisé, la controverse faisant rage entre les tenants d'une photonique « tout-silicium » et les partisans d'une « intégration hybride », hétérogène ou monolithique, de composants actifs en semi-conducteurs III-V sur plate-forme Si ;

– la montée en fréquence de l'électronique millimétrique (60-80 GHz), qui pose de nouveaux problèmes en termes d'intégration système (de la prise de courant au dispositif) ;

– inversement, la descente en fréquence depuis l'infrarouge vers le « gap THz », avec les questions ouvertes en termes de sources, d'amplificateurs, de détecteurs, de systèmes ;

– l'optoélectronique reste un domaine très exploré (génération, détection, transport, traite-ment, cryptographie) sur toute la gamme du spectre électromagnétique ; il en est de même des télécommunications optiques, depuis la source (laser) jusqu'au détecteur (quantique) via le support même de la propagation (fibre optique spéciale, nano-structurée...) en passant par les protocoles de transmission de données (formats de modulation évolués) ;

– l'enjeu de la modélisation reste crucial, indispensable pour la conception des systèmes, souvent en rapport avec l'expérimentation. La puissance de calcul des ordinateurs modernes permet d'aborder des problèmes tels que la propagation d'une onde en milieu complexe (nano-structuré ou aléatoire, diffusant ou dépolarisant, inerte ou biologique) ; toutefois, si les équations de Maxwell n'ont jamais été mises en défaut durant leurs 150 ans d'existence, le calcul numérique continue de buter sur la limite en taille des cellules de discrétisation. La diffusion multiple et l'échelle mésoscopique constituent des obstacles que différentes stratégies s'efforcent de contourner, avec des succès divers : approche multi-physique ou multi-échelle, modèle heuristique par équation de transfert radiatif, couplage analytique-numérique ;

– à cet égard, l'étude des problèmes inverses constitue une classe en soi, l'enjeu consistant par exemple à identifier ou à reconstituer un objet à partir de sa signature ondulatoire. Les liens avec l'imagerie sont importants, et l'on peut citer les techniques de retournement temporel (conjugaison de phase), avec des applications en microscopie, détection radar, sonde, scanner, imagerie bio-médicale, tomographie, échographie, IRM, etc. On peut d'ailleurs ici identifier un véritable verrou lié à l'imagerie en conditions extrêmes : extraction de données quantitatives dans un signal fortement bruité, applications nucléaires militaires ou civiles, etc.

– la modélisation analytique voit un retour en force du concept de couplage d'ondes, spatial ou temporel, qu'il s'agisse de l'interaction de résonateurs ou d'oscillateurs, de photonique discrète (guidonique, couplonique) ou de guides d'onde dits « à symétrie PT » ;

– le problème de l'homogénéisation apparaît capital pour les métamatériaux, ces assemblages nano-structurés dont les propriétés électromagnétiques effectives (permittivité diélectrique, perméabilité magnétique) sont sans équivalent naturel ; on peut le relier à diverses techniques mathématiques dites de transformation d'espace (changement de coordonnées) ; outre la cape d'invisibilité souvent citée, cette thématique évolue d'une part vers la gamme du visible, d'autre part vers l'inclusion de matériaux actifs ou quantiques, pour de nouvelles fonctionnalités toutes liées au contrôle du front d'onde ;

– les enjeux énergétiques ne sauraient être oubliés, depuis le développement de sources LED pour l'éclairage en lumière blanche jusqu'au photovoltaïque, en particulier utilisant la nanostructuration du matériau actif, avec de nombreuses implications économiques et sociétales (en liaison notamment avec ce qu'il est convenu d'appeler green photonics), la réduction maximale de la consommation des systèmes passant par l'inscription de l'efficacité énergétique dans le cahier des charges ;

– l'ensemble du domaine bénéficie des progrès technologiques en micro- ou nano-fabrication (dans la foulée de l'hétéro-épitaxie des semi-conducteurs), mais aussi de l'apport de nouveaux matériaux tels que graphène, silicène, MoS2, phosphore noir, etc., dont la structure électronique spécifique se traduit par des propriétés optiques originales, linéaires ou non-linéaires (commutation ultra-rapide, etc.). Dans ce contexte, les propriétés photoniques des nano-objets (boîtes quantiques III-V ou colloïdales II-VI, nanofils, nanotubes, etc.) sont très étudiées ainsi que l'intégration des ces nanostructures dans les dispositifs optoélectroniques ;

– ces mêmes progrès en termes de techniques de fabrication permettent d'envisager l'intégration, sur des dispositifs photoniques, de composants à connotation plus spécifique-ment « électronique » (nano-antennes) ; c'est dans cette direction que la plasmonique semble trouver ses applications les plus prometteuses. Quant aux progrès indéniables permis par le nano-usinage laser, il nous semble relever davantage de la thématique Micro-nanotechnologies ;

– la nanophotonique est un domaine en plein essor qui vise à confiner, contrôler et manipuler la lumière à très petite échelle (comparable ou inférieure à la longueur d'onde) en utilisant la nanostructuration du matériau. Ceci pour créer de nouvelles fonctionnalités en exaltant certains effets (propriétés non linéaires, couplage lumière-matière, etc.) ce qui ouvre la voie à de nouveaux dispositifs optoélectroniques ultracompacts et intégrables ;

– la phononique bénéficie également de l'ensemble de ces développements. Les métamatériaux acoustiques connaissent un essor considérable. Les investigations menées dans ce contexte ne se limitent plus au seul contrôle des ondes acoustiques et se tournent vers la gestion des phénomènes de transfert thermique. Dans ce dernier cas, les enjeux relèvent aussi bien du domaine industriel, notamment de l'industrie du semi-conducteur, que d'une problématique énergétique, avec l'émergence récente de couplages entre phononique et thermoélectricité. La convergence entre dispositifs acoustiques ou mécaniques et dispositifs optiques est également prometteuse avec un potentiel avéré en physique fondamentale et en photonique radio-fréquence (résonateurs opto-mécaniques, cristaux phoxoniques) ;

– la convergence entre l'électronique et l'optique (les deux extrémités du spectre électromagnétique) se manifeste également au travers des dispositifs dits « opto-hyper » (transmission sur fibre de signaux radio modulant une porteuse optique) ;

– dans le domaine biomédical, où les technologies photoniques se sont longtemps cantonnées à un rôle d'observation et de diagnostic, on assiste à l'émergence progressive d'applications proprement thérapeutiques : on apprend à perturber ou à modifier de façon ciblée les propriétés d'une cellule vivante, favorisant par exemple le passage sélectif de telle ou telle substance à travers la membrane, etc. On peut également mentionner le domaine de l'optogénétique en plein essor actuellement.

Cette « matrice de lecture » permet d'appréhender les grands défis, mais aussi les effets de mode du moment. C'est ainsi qu'après les cristaux photoniques, puis les métamatériaux, l'accent porte de plus en plus souvent sur les différentes déclinaisons possibles de la cape d'invisibilité.

(1) « La recherche française en optique photonique représente 200 laboratoires et 13 000 chercheurs. En reprenant un rapport publié par le gouvernement (technologies clefs 2015), selon un travail de l'Association française de l'optique photonique (AFOP), de la Société française d'optique (SFO) et des pôles d'optique, basé sur une consultation de 150 experts scientifiques et industriels, la photonique intervient dans 6 grands domaines rassemblant 21 technologies :
• télécoms : transmissions optiques courtes distances, fibres et composants, systèmes et réseaux ;
• santé et vivant : systèmes photoniques d'analyse pour la santé, systèmes d'imagerie médicale, capteurs photoniques pour le vivant, lasers pour la santé ;
• énergie, éclairage, affichage : LED et OLED, photovoltaïque, photonique et infrastructures de recherche, affichage et réalité augmentée ;
• manufacturing et contrôle : lasers et procédés industriels, techniques de fabrication de systèmes optiques, procédés industriels et mesures optiques ;
• surveillance, sécurité, spatial : systèmes d'imagerie complexes pour l'observation et la surveillance, capteurs d'images, sources capteurs et réseaux de capteurs ;
• matériaux et technologies génériques : nanophotonique et couches minces optiques, microélectronique et photonique, technologies et sources lasers, nouveaux matériaux et nouveaux composants. »

(2) Voir l'atelier Photonique sur Silicium organisé au siège du CNRS en 2013 [http://workshopcnrs.ief.u-psud.fr/].