Thématique Micro et nanophotonique

Le projet MicroNano-photonique est animé par :
Taha Benyattou, INL, INSA
Nathalie Destouches, Laboratoire Hubert Curien, Saint Etienne
Emmanuel Hadj, CEA-INAC
Jean-Emmanuel Broquin, IMEP-LAHC

Programme présenté dans le cadre du dossier "Programme pluriannuel 2007-2010" déposé par le cluster Micro-Nano auprès de la Région Rhône-Alpes

La Nanophotonique peut se définir comme le domaine de recherche où l’on vise à contrôler la propagation et l’interaction avec la matière des photons dans le volume le plus restreint possible, pendant des intervalles de temps les plus longs possibles. Confiner les photons et façonner les champs optiques à des échelles sub-longueur d’onde pour réaliser de nouveaux composants optiques et optoélectroniques implique d’abord de maîtriser la fabrication d’objets de dimensions sub-microniques avec une résolution inférieure au nanomètre, soit un enjeu technologique d’un ordre de grandeur supérieur à l’état de l’art actuel de la microélectronique. Les nouveaux composants, a priori de dimensions réduites, pourront ainsi répondre aux exigences accrues de compacité et d’intégration et permettront de créer de nouveaux schémas et fonctions optiques en diversifiant par là même les perspectives d’applications aux télécommunications optiques, à la visualisation et à la biologie. La maîtrise des champs optiques à des échelles égales ou inférieures à la longueur d’onde impose aussi de développer en parallèle des techniques expérimentales d’analyse à ces petites échelles.

Nous présentons dans ce qui suit une brève prospective du domaine qui est largement couvert par les laboratoires concernés de la région Rhône Alpes. Ces éléments constituent l’armature du programme scientifique et définissent les orientations stratégiques de la recherche dans le domaine de la Nano-Photonique en Région Rhône Alpes pour la période 2007-2010.

L’approche générale de la Nanophotonique consiste à structurer l’espace pour contrôler la propagation des photons et les confiner. Dès la fin des années 70, la structuration de la matière à l’échelle nanométrique en vue de confiner les électrons à l’intérieur d’espaces de dimensions réduites à l’échelle de leur longueur d’onde (puits et boîtes quantiques) avait déjà ouvert la voie aux formidables développements que l’on sait de l’optoélectronique. C’est environ deux décennies plus tard que la Nanophotonique prend son essor, la communauté prenant alors conscience que c’est aussi en structurant l’espace à l’échelle sub-longueur d’onde qu’il est envisageable de faire subir le même sort aux photons. La structuration doit alors se traduire par une forte modulation spatiale de l’indice optique, ce qui, aux longueurs d’ondes optiques, implique véritablement la réalisation d’objets de dimensions sub-microniques avec une résolution inférieure au nanomètre. La réalisation des nanostructures photoniques impose elle-même en retour la nécessité « d’ajuster » dans les domaines spatial et spectral les nanostructures électroniques (fils, boîtes quantiques…) au champ optique. Autrement dit, la croissance des matériaux actifs de toute nature doit être parfaitement maîtrisée pour contrôler les nanostructures électroniques en taille, densité, composition et localisation. Plusieurs stratégies de confinement des photons, fondées sur la structuration de l’espace à fort contraste d’indice, sont actuellement mises en œuvre et combinées entre elles :

1. la première utilise le phénomène de réfraction, les photons étant confinés par réflexion totale interne dans le matériau diélectrique de fort indice,

2. la deuxième utilise le phénomène de diffraction, notamment dans le contexte des cristaux photoniques (structuration périodique de l’indice optique à fort contraste),

3. la troisième utilise l’interaction dite plasmonique entre la lumière et un gaz d’électrons à la surface d’un métal ou d’un semiconducteur très dopé.

Si la stratégie réfractive à fort contraste d’indice a bien été présente et continue de l’être sur le terrain de la Nanophotonique « guidée » (micro-guides de type « fils » photoniques, micro-cavités de type micro-disque, etc.), force est d’admettre que la stratégie diffractive tend à s’imposer avec notamment les cristaux photoniques bidimensionnels (CP2D), dont la fabrication est accessible aux procédés technologiques dits planaires, bien connus du monde de la microélectronique. C’est dans le domaine des CP2D semiconducteurs que les percées les plus spectaculaires ont été rapportées (à un rythme dépassant toutes les prévisions). Ceci concerne principalement l’approche dite « membrane », à fort confinement vertical, les photons étant guidés dans une fine membrane semiconductrice (III-V, silicium, …) environnée d’un matériau de faible indice (air, silice,…). On citera, sans prétendre à l’exhaustivité, micro-cavités submicroniques à très fort facteur de qualité pour l’électrodynamique quantique « solide », micro-lasers à très faible seuil compatibles avec l’intégration photonique à large échelle, dispositifs non-linéaires tout optiques à très faible énergie de commande optique (commutateurs, bistables, amplificateurs optiques), une variété de composants passifs (guides, filtres, routeurs,…), etc.

Parmi les autres développements récents majeurs, on notera l’extension du mode opératoire des CP2D à la troisième direction de l’espace ouvrant la voie à une floraison de dispositifs nanophotoniques adressables par la surface. Notons enfin que l’approche membrane décrite plus haut se prête naturellement à l’intégration hétérogène des matériaux III-V et du silicium, notamment à l’échelle de la tranche de silicium, ce qui ouvre la voie à des développements extrêmement génériques en matière de systèmes intégrés complexes, combinant les attributs intrinsèques des différents matériaux et tirant parti de la formidable puissance du secteur de la microélectronique. Il s’agit là d’un débouché très important de la Micro et Nanotechnologies-Photonique en Région Rhône-Alpes, compte tenu du puissant environnement de R&D (Universités, CNRS, CEA-LETI) et industriel dans le secteur de la micro-électronique. De manière générale, les grands groupes industriels de « l’ALLIANCE » ne sauraient faire l’impasse sur les potentialités offertes par la Micro et Nanotechnologies-Photonique aux acteurs de la microélectronique, suivant en cela l’exemple de leurs principaux concurrents internationaux.

La troisième stratégie de confinement des photons associée à la Plasmonique a progressé de façon remarquable ces dix dernières années grâce à la fabrication de nano-objets métalliques dont la forme et la taille ainsi que les arrangements sont contrôlés. Si aujourd’hui les propriétés d’objets individuels sont relativement bien connues, il est fondamentalement nécessaire d’approfondir les phénomènes de confinement et d’exaltation de champ associés à ces nano-objets ainsi que leur interaction avec leur environnement : couplages avec d’autres nano-objets métalliques, avec des nano-objets luminescents (application à l’exaltation de la fluorescence pour la bio-photonique). En termes d’applications, la plasmonique présente un intérêt majeur pour l’optimisation de l’extraction de lumière dans des dispositifs de type LED ou OLED, pour la détection localisée de molécules individuelles, les tests biologiques miniatures ainsi que la réalisation de capteurs biochimiques et, plus généralement, la réalisation de nano-dispositifs assurant à la fois sur un même support la propagation de signaux lumineux et le transport de courants électriques.

Au-delà, viennent les Métamatériaux, assemblages périodiques de matériaux, dotés, entre autres caractéristiques, d’une permittivité diélectrique et d’une perméabilité magnétique (effectives) négatives, ce qui devrait permettre notamment la réalisation de lentilles plates présentant une résolution en deçà de la limite de diffraction. Mais les défis à relever, notamment technologiques, sont majeurs (taille nanométrique des motifs dans le domaine de l’optique). La recherche en matière de composants micro - et nano-photoniques s’articule autour d’un certain nombre d’axes forts. Il s’agit soit de domaines émergents, soit d’applications bien établies pour lesquelles de nouvelles solutions technologiques sont activement recherchées. On citera quelques domaines représentatifs des compétences présentes dans les laboratoires de la Région Rhône Alpes.
Composants et systèmes pour l’information quantique
Composants pour fonctions optiques et télécoms
Composants opto-THz
Intégration optoélectronique à large échelle La caractérisation des propriétés optiques aux échelles sub-longueur d’onde des matériaux, des nanostructures et des nanocomposants photoniques a permis à de nouvelles techniques ou configurations optiques instrumentales de voir le jour. On citera, sans prétendre à l’exhaustivité, les domaines en pleine expansion pour lesquels la région Rhône Alpes dispose de tous les atouts pour jouer un rôle majeur :
Caractérisation et instrumentation optiques en champ proche
La Nanobiophotonique

Il semble, en conclusion, que rien ne puisse entraver le mouvement ascendant de la Nanophotonique, à condition de pouvoir disposer des outils nécessaires à leur évolution. À cet égard des verrous subsistent, dont l’élimination devra mobiliser les efforts :
le défi technologique, résolution nanométrique imposée à la fabrication, déjà mentionné en préambule, reste encore à relever. A cette fin, certains songent aujourd’hui à la mise en œuvre de procédés « naturels » de type « bottom up », que pourrait offrir le monde du vivant.
en matière de modélisation (notamment 3D) et de conception, les outils rapides et conviviaux restent à construire. Le flux d’idées originales dont le débit en amont est généreusement alimenté par la richesse sans précédent de degrés de libertés offerts par la Micro et Nanotechnologies-Photonique pour la manipulation des photons à l’échelle de la longueur d’onde, vient littéralement buter sur le goulet d’étranglement opposé à leur validation rapide par les outils actuels de conception.