Matériaux pour la photonique et l'optique

La photonique couvre l'étude et l'élaboration de matériaux permettant la génération, le transport, le traitement optique (modulation, amplification, mise en forme du faisceau), la conversion de signaux optiques, ainsi que l'interface entre deux domaines tels que l'électronique, la mécanique, le magnétisme, la chimie, la thermique, voire entre l'optique libre et l'optique guidée. Cela inclut de grandes catégories de matériaux pour les lasers, les diodes électroluminescentes, les fibres optiques, les modulateurs optiques, les lentilles, les réseaux de diffraction, l'imagerie, la surveillance sans contact et l'informatique quantique.

La photonique remplit donc une multitude de fonctions multiphysiques et multi-échelles, actives ou passives, fondamentales ou orientées vers des applications, présentant un intérêt spécialisé ou, au contraire, interdisciplinaire. Son évolution est fortement marquée par une tendance à l’intégration et à l’exploitation de couplages multiphysiques ou résonants.

En tant que domaine, elle se nourrit de l'exploration de nouveaux matériaux : semi-conducteurs, oxydes, matériaux 2D, métamatériaux, matériaux cristallins (totalement ou partiellement, ou vitreux), ainsi que de nouvelles architectures et de nouveaux concepts architecturaux (matériaux ou structures hybrides organo-inorganiques).

L'évolution globale consiste à utiliser des matériaux plus légers, ce qui découle soit de l'élaboration des matériaux (par exemple, la fabrication additive), soit de leurs propriétés structurelles, avec des fonctions optiques en relation, ou non, avec d'autres grandeurs physiques dans les matériaux optiques (par exemple, l'écriture laser directe, la modification de la structure chimique) ou les matériaux destinés à la communication en optique libre ou guidée.

A. Photonique intégrée et hybride, télécommunications

Le développement actuel des circuits photoniques intégrés (PIC) repose fortement sur le savoir-faire en matière de techniques d'hybridation locale (impliquant des oxydes fonctionnels, des matériaux piézoélectriques, matériaux thermo-optiques, matériaux magnéto-optiques), par croissance localisée, et par dépôt colloïdal ou polymère (points d' s quantiques, émetteurs organiques…), ou par la fonctionnalisation de matériaux bidimensionnels (graphène, dichalcogénures de métaux de transition / TDMC, nitrure de bore / BN hexagonal, matériaux magnétiques…) ou non linéaires. En général, la photonique intégrée couvre une large gamme de fréquences, de la lumière visible à la gamme THz, en passant par l’infrarouge proche et moyen (NIR, MIR).

Les développements ayant le plus grand impact concernent les sources lumineuses, qu'elles soient basées sur des structures « localement hybrides », principalement III-V sur silicium, ou sur des hétérostructures épitaxiales avec contrôle de la cristallinité des couches (intégration monolithique).

Les guides d'ondes optiques évoluent rapidement. Les guides d'ondes photoniques peuvent être composés de nanostructures semi-conductrices (guides d'ondes en silicium à longueur d'onde inférieure à celle de la lumière, guides d'ondes plasmoniques, guides de plasmons localisés, nanofils) et ouvrent la voie à la photonique intégrée sur des substrats flexibles. Dans d'autres domaines de l'optique, la réalisation de guides d'ondes par la modification locale de l'indice de réfraction et des propriétés magnéto-optiques du matériau par irradiation laser à haute puissance, ainsi que la définition de guides d'ondes par des procédés d'irradiation/gravure constituent des pistes prometteuses.

En complément du graphène, les matériaux 2D tels que les TMDC et le hBN présentent un fort potentiel pour la génération de polaritons et peuvent être empilés pour former des hétérostructures de van der Waals sur mesure.

B. Sources de photons et composants actifs associés

La conception et la fabrication de nouvelles sources lumineuses connaissent actuellement un essor fulgurant. De nombreuses avancées technologiques ont eu lieu dans le domaine des lasers à très haute puissance, des sources lumineuses non classiques pour les technologies quantiques, des sources attosecondes, des sources de plasmons électriques, ainsi que des sources infrarouges et THz.

Les développements futurs s'orientent vers l'extension des gammes de longueurs d'onde accessibles. Cela inclut le développement de sources attosecondes dans le domaine des rayons X – ultraviolet lointain (XUV), de lasers à cascade quantique dans l'infrarouge moyen (MIR) et THz, ainsi que de sources paramétriques basées sur de nouveaux matériaux. Grâce à l'utilisation de différentes plateformes d'intégration (associées à l'hétéroépitaxie, par exemple pour la production de GeSn sous contrainte ou de matériaux 2D…), toutes les fonctionnalités actives (sources, détecteurs, modulateurs) et passives (filtres, résonateurs, guides d'ondes) requises sont en cours de développement.

Pour toutes ces technologies novatrices, la tendance est à l’intégration du silicium et à la résolution des défis posés par le développement de dispositifs toujours plus petits (nanométriques).

L'action de 2IM sur les matériaux pour l'optique et la photonique peut être développée en synergie avec des acteurs industriels locaux tels que Saint-Gobain, Horiba, Thales, etc. ou d'autres instituts (Institut des sciences de la lumière de l'UPSaclay ou l'École polytechnique de Paris).

@Cédric Mayer (Lumin)