Les sauts technologiques obtenus grâce aux investissements réalisés dans les nanotechnologies offrent de nouveaux outils à la photonique ; la nanophotonique promet des innovations majeures dans les composants optoélectroniques, les biocapteurs et les nouvelles sources d'énergie.
Cet article a été préparé par Michel Colrat à partir du rapport "La nanophotonique aux Etats-Unis" rédigé par Raphaël Allègre et Romaric Fayol, sous la direction de Roland Hérino et Daniel Ochoa, de la mission pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France aux Etats-Unis, que nous remercions pour leur collaboration.
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La nanophotonique étudie le comportement de la lumière à l'échelle nanométrique et cherche à contrôler l'émission de lumière, sa détection, son guidage et sa transformation en développant des dispositifs dont les dimensions sont le plus souvent inférieures à la centaine de nanomètres. Les avancées dans ce secteur doivent beaucoup aux progrès des connaissances et du contrôle de la matière à l'échelle submicronique, et elles sont associées à celles de la microélectronique et de la nanoélectronique, puisque ce sont le plus souvent les mêmes matériaux et les mêmes techniques qui sont utilisés. Les recherches en nanophotonique couvrent un très large domaine d'activités et connaissent actuellement un développement croissant en raison des nombreuses applications potentielles envisagées dans des domaines aussi différents que les sciences de l'information, l'énergie et la médecine.
Parmi les différents champs des recherches en nanophotonique, trois domaines ressortent particulièrement prometteurs mais s'inscrivant dans une perspective de développement à court, moyen et long terme. Si la nanophotonique sur silicium, héritière des technologies de la microélectronique, ouvre des perspectives d'application à relativement court terme, la plasmonique qui connaît depuis cinq ans un intérêt croissant à travers le monde, devrait prendre son envol dans les prochaines années, en attendant les retombées des recherches menées sur d'autres types de matériaux et de nano objets, comme les nanotubes, nanofils et quantum dots, dont la plupart des applications semblent relever du plus long terme.
Convergence entre électronique et photonique avec le silicium
La nanophotonique sur silicium est un domaine de recherche actuellement en plein essor. Les grandes entreprises américaines du semi-conducteur, de l'optoélectronique ou des télécommunications, ainsi que les agences fédérales de recherche comme la DARPA et la NSF financent une grande partie des projets de recherche menés dans les universités. Elle offre de nouvelles applications très prometteuses comme les interconnections optiques pour circuits intégrés de type CMOS, les télécommunications optiques, le stockage optique, les biocapteurs, l'informatique quantique, le solaire photovoltaïque.
De très nombreux groupes de recherche aux Etats-Unis travaillent actuellement sur les interconnections optiques car elles représentent le futur de l'industrie des télécommunications et de l'industrie informatique. En raison du besoin sans cesse croissant en vitesses de traitement élevées suscité par l'explosion des applications Internet et du numérique en général, des bandes passantes de 10 Gb/s et plus sont nécessaires. Ce besoin d'échanger plus vite plus de données requiert un changement de technologie car les pertes engendrées par les interconnections en cuivre font d'elles le facteur limitant de la rapidité des ordinateurs. La nanophotonique sur silicium pourrait offrir de nouvelles solutions pour surmonter ces barrières technologiques et on parle donc de convergence entre électronique et photonique. Cependant encoder un signal lumineux n'est pas aussi simple qu'encoder un signal électrique et de nombreuses années de recherche seront nécessaires pour développer l'ensemble de fonctions optiques sur silicium qui manquent aujourd'hui.
L'émission de lumière par des composants électroniques sur silicium est un autre enjeu que la nanophotonique pourrait aider à réaliser bien que pour l'instant, aucune source de lumière efficace à base de silicium n'ait pu être développée. De nombreuses pistes ont été explorées pour tenter de combler ce manque et le sujet reste encore très ouvert. Parmi toutes ces voies d'études, les sources laser hybrides, les nanocristaux de silicium et les quantum dots sont prometteurs.
Le groupe de recherche du professeur John Bowers de l'université de Californie à Santa Barbara (UCSB) en collaboration avec Intel vient récemment de développer le premier prototype de circuit silicium intégrant 36 lasers hybrides. Les nanocristaux de silicium sont comme les quantum dots, des cristaux semiconducteurs de dimensions nanométriques qui présentent des propriétés physiques ajustables par le contrôle de leur diamètre (entre 2 et 50 nanomètres). Du fait du confinement des porteurs de charge, ces nanocristaux émettent, sous excitation lumineuse ou électrique, des photons visibles. Leur longueur d'onde varie du rouge vers le bleu quand leur taille diminue. Ce sont des candidats prometteurs pour réaliser des dispositifs actifs : modulateurs, amplificateurs optiques, et diodes électroluminescentes et de plus parfaitement compatibles avec la technologie CMOS.
Prometteuse interaction de surface, la plasmonique
Les quantum dots (QDs) sont obtenus par dépôt sur un substrat de silicium d'une couche mince de terre rare comme le germanium, qui s'agglomère et forme de petits îlots de matière. Ceci est dû à la différence de paramètre de maille (distance entre les atomes) entre les deux matériaux et à la relaxation qui en résulte. Ces QDs qui peuvent emprisonner des électrons, les confinant dans l'espace - à la manière des électrons maintenus dans l'orbite des atomes - ce qui vaut aux QDs le nom "d'atomes artificiels". Ils peuvent comme eux produire des photons - dans l'infrarouge - par des déplacements d'électrons entre différents niveaux d'énergie. D'autres applications de la nanophotonique sur silicium sont recherchées, telles que la propagation, le traitement de la lumière, voire même le "stockage" de la lumière. Le stockage de la lumière au niveau des circuits silicium est en effet un sujet qui suscite l'intérêt des principales agences fédérales de recherche et notamment celui de la DARPA au travers du programme, "Slowing, Storing and Processing Light".
L'interaction dite plasmonique entre la lumière et un gaz d'électrons à la surface d'un matériau conducteur connaît depuis environ cinq ans un intérêt scientifique croissant stimulant des programmes ambitieux y compris en Europe. Les plasmons de surface sont des ondes qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un matériau métallique. Il s'agit d'une oscillation collective des électrons qui engendre un champ électromagnétique évanescent des deux cotés de l'interface. En modifiant la structure de la surface d'un métal, il est possible de contrôler les propriétés des plasmons de surface, en particulier leur interaction avec la lumière, ce qui permet de développer de nouveaux types de dispositifs photoniques. Les applications potentielles sont nombreuses, elles comprennent notamment l'optique sublongueur d'onde, le stockage de données, la spectroscopie non-linéaire, la biophotonique, etc. Il ne faudrait pas plus de cinq ans avant que cette technologie soit utilisée par les leaders industriels du disque dur. La deuxième application à court et moyen terme du dispositif concerne les détecteurs infrarouges, avec une réduction de la taille et une sensibilité améliorée.
Des nano-objets pour la prochaine génération
L'utilisation des nanotubes de carbone pour la nanophotonique reste à ce jour très spéculative, même s'il est déjà proposé de les incorporer dans des dispositifs émetteurs ou de les exploiter comme éléments actifs des photodétecteurs. L'application la plus mature concerne la réalisation d'écrans plats, dans lesquels les nanotubes de carbone sont utilisés comme émetteur de champ nanométrique pour exciter un matériau phosphorescent. Au niveau des dispositifs photoniques, le groupe leader est certainement celui de Phaedon Avouris (IBM) qui s'appuie sur les avancées qu'il a faites en réussissant à mettre au point un transistor à effet de champ dont la partie active est constituée d'un seul nanotube, et qui propose à partir de cette structure des dispositifs émetteurs ou détecteurs de lumière.
Les nanofils sont des nano-objets assez étonnants qui permettent de réaliser des dispositifs actifs de dimensions nanométriques intéressants aussi bien pour l'électronique intégrée que pour le développement de capteurs. Un des groupes leaders aux Etats-Unis de la recherche sur les nanofils (Pr Lieber à Harvard, Cambridge) a réalisé des avancées très marquantes pour l'émission de lumière à partir de nanofils. Cette émission est obtenue à partir de jonctions PN réalisées à partir de nanofi ls semiconducteurs, en utilisant deux méthodes différentes, l'une consiste à modifier le dopage du nanofil suivant son axe et l'autre à amener au contact deux nanofils de dopage différent. A partir de ces structures de base, l'équipe a réalisé des diodes électroluminescentes (DEL) de très petite dimension, et a montré qu'il est possible d'émettre des rayonnements de longueurs d'onde différentes en faisant reposer des nanofi ls de matériaux différents sur un même nanofil de Si. Ce type de DEL peut être amélioré en ajoutant au système un second nanofil de type N qui sous polarisation se comporte comme la grille de commande d'un transistor à effet de champ (FET) et permet l'utilisation de la diode à une fréquence plus élevée.
Enfin, les nanoparticules métalliques et semi-conductrices ont des applications en nanophotonique, toutefois encore relativement limitées, essentiellement dans le secteur biomédical, où ces nanoparticules peuvent notamment être utilisées comme marqueurs optiques, ou employées dans la fabrication de DEL ou de sources de lumière cohérente.
Les nanoparticules métalliques (or ou argent) ont des propriétés optiques gouvernées par le phénomène de résonance plasmonique de surface qui dépend d'un grand nombre de facteurs, comme la taille et la forme des particules (sphérique, oblongue, cubique), leur structure (homogène, revêtues, creuses) mais aussi de leur environnement. Ces nanoparticules sont utilisables pour le développement de capteurs chimiques et biochimiques, servir de marqueurs optiques de molécules spécifiques... On peut aussi les cibler pour qu'elles s'accrochent à des cellules cancéreuses, et ensuite les irradier au moyen d'un rayonnement infrarouge afin que l'échauffement localisé qui en résulte permette la destruction thermique des cellules malades. L'emploi des nanocristaux semi-conducteurs en imagerie biomédicale est actuellement l'application la plus avancée.
On exploite les propriétés de fluorescence des QD pour le marquage moléculaire en accrochant des nanocristaux à des molécules biologiques, comme on le fait avec des colorants organiques, mais avec des avantages qualitatifs intéressants : spectre d'absorption ajustable, émission lumineuse dans une bande plus étroite, possibilités de fonctionnalisation.
L'exploitation commerciale des recherches développées en nanophotonique, encore très embryonnaire, est surtout représenté par les produit de marquage biologique et pour l'imagerie médicale. Parmi les entreprises qui commercialisent ce type de produits, on citera Invitrogen, Nanocrystals et Evident Technologies (nanocristaux), Carbon Nanotechnologies (nanotubes de carbone) ou encore Nanospectra (nanoshells pour l'imagerie in vivo et la destruction de cellules cancéreuses).
Le secteur de l'optoélectronique devrait à terme représenter la part le plus importante du marché des applications de la nanophotonique, avec des composants à base de boites quantiques tels que les DEL, diode laser et photodétecteurs qui commencent à être commercialisés, mais nécessitent encore quelques années de développement avant de pouvoir concurrencer les dispositifs actuels à base de puits quantiques. Les entreprises les plus connues pour ce type de produits sont Lumileds et Cree (nouvelles DEL à bases de cristaux photoniques et boites quantiques), QDvision, Nanolume et Zia Lasers (composants optoélectroniques).
