En Californie, la recherche en nanophotonique s'organise de manière à favoriser les échanges entre les différentes disciplines concernées et à encourager l'émergence d'applications concrètes. De quoi générer une dynamique porteuse de succès.
Cet article a été préparé par Nathalie Mayer à partir du rapport "La nanophotonique en Californie" réalisé par Daniel Ochoa (attaché scientifique, San Francisco), Vincent Berger (directeur du MPQ - université Paris 7), Jean-Yves Duboz (directeur du CRHEA, Sophia Antipolis - CNRS), Emmanuel Hadji (directeur du SINAPS, Grenoble - CEA/DRFMC), Françoise Lozes (LAAS, Toulouse - CNRS), Jean-Yves Marzin (directeur du LPN, Marcoussis - CNRS), Jean-Louis Oudar (LPN Marcoussis - CNRS), Hervé Rigneault (directeur du MOSAIC, Marseille - Institut Fresnel), Christian Seassal (INL, Lyon - UMR), Roland Hérino (attaché scientifique, Houston) et Raphaël Allègre (attaché scientifique adjoint, San Francisco), en liaison avec le service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France aux Etats-Unis ; nous remercions ces auteurs pour leur collaboration.
Télécharger ce rapport en version pdf (gratuit)>>
Focus :
Hewlett-Packard mise sur la recherche en amont
Au coeur du laboratoire industriel de la société d'informatique et d'électronique Hewlett-Packard (HP), un groupe baptisé Quantum Science Research (QSR) est tout particulièrement tourné vers l'avenir. Il étudie en effet les ruptures technologiques susceptibles d'aboutir d'ici une dizaine d'années.
L'idée : mettre en adéquation une recherche très fondamentale et une politique des plus offensives de prise de brevets tout en restant cohérent avec le corpus industriel et technologique de HP. Pour se maintenir à une distance raisonnable des applications de l'entreprise (ordinateur, imprimante) ou de leurs technologies clés (impression, lithographie par nanoimpression ou nanoimprint, systèmes microélectromécaniques MEMS), d'intenses recherches sont menées sur l'ordinateur quantique et les technologies intermédiaires susceptibles d'y mener, les interconnections optiques ou encore les capteurs, pour ce qui concerne plus spécifiquement la photonique.
Dans le domaine de la nanophotonique, le groupe QSR travaille essentiellement suivant deux axes : les métamatériaux[1], plasmons[2] et cristaux photoniques[3] d'un côté, l'information quantique de l'autre. Et la préoccupation de la réalisation d'un dispositif technologique apparaît dès la prise de brevet, que les membres du groupe préfèrent voir orienté vers un process plutôt que vers un concept.
Autre point remarquable, le QSR n'a pas été touché par la récente vague de réduction d'effectifs qui a frappé HP. Au contraire, le groupe composé de 65 chercheurs début 2007 est passé à 80 en fin d'année.
Glossaire :
[1] Métamatériau : matériau composé de plusieurs couches empilées parmi lesquelles des anneaux métalliques. De dimensions semblables aux longueurs d'onde des rayons lumineux, soit quelques centaines de nanomètres, ils sont capables de dévier leur course.
[2] Plasmon : équivalent au plasma de ce qu'est un photon à la lumière.
[3] Cristal photonique : structure périodique formée de matériaux diélectriques ou métalliques et conçue pour modifier la propagation de rayons lumineux.
[4] Microfluidique : branche de la mécanique des fluides pour laquelle les effets de capillarité, de mouillage et de surface prennent le pas sur la gravité.
L'objectif de la nanophotonique est de comprendre et de contrôler l'émission, la détection et le guidage de la lumière dans des dispositifs de dimensions nanométriques. Les applications potentielles sont nombreuses et touchent des domaines aussi variés que l'imagerie médicale, les télécommunications, le photovoltaïque, la cryptographie quantique, l'optoélectronique, le stockage de données et, un jour peut- être, l'ordinateur quantique. En Californie, ce secteur est largement soutenu par les financements des agences de recherche fédérales et s'organise d'une manière originale qui lui confère une dynamique toute particulière.
En France comme en Europe et aux Etats-Unis, la nanophotonique préoccupe un nombre important de chercheurs et de laboratoires. Si les sujets abordés outre- Atlantique sont assez similaires à ceux étudiés sur le Vieux Continent, ils y sont traités d'une manière toute différente. Ainsi, l'interdisciplinarité est le mot d'ordre en la matière en Californie où des spécialistes de la biologie, de la physique, de la chimie et des nanotechnologies n'hésitent pas à mettre leurs connaissances en commun.
Des grandes centrales technologiques
Autre culture très développée aux Etats-Unis, celle de l'application technologique. Il existe encore en Californie des entreprises industrielles, comme Hewlett-Packard, qui croient au rôle moteur de l'innovation (voir "Hewlett-Packard mise sur la recherche en amont" ci-contre). Elles consacrent alors un effort significatif de recherche sur des thèmes, certes porteurs, mais encore très exploratoires. De façon plus générale, les domaines d'étude les plus proches des applications industrielles sont plus développés aux Etats-Unis qu'en Europe. Des laboratoires universitaires comme ceux de Stanford, du California Institute of Technology (Caltech) ou du campus de Santa Barbara de l'université de Californie (UCSB) affichent nettement leur volonté de développer des recherches technologiques susceptibles de mener à des transferts vers l'industrie. Une situation qui ne connaît pas d'équivalent en France.
Dernier moteur de la nanophotonique aux Etats-Unis et certainement pas des moindres : les fonds conséquents qui sont accordés à ce secteur de recherche. L'ambitieux programme national sur les nanotechnologies NNI (National Nanotechnology Initiative) lancé en 2001 par le Gouvernement fédéral avec un budget de 450 millions de dollars, a ainsi vu son financement presque tripler en cinq ans.
Pour optimiser les moyens financiers et humains mis à sa disposition, la recherche en nanophotonique californienne a fait le choix de la mise en commun des outils de recherche et ce dans le cadre de centrales technologiques. Celles-ci disposent de salles blanches de surfaces allant jusqu'à 1.000 mètres carrés et sont équipées d'instruments de pointe. Elles fonctionnent pour la plupart 365 jours par an et 24 heures sur 24. Elles sont par ailleurs marquées par une grande ouverture, aussi bien sur les universités américaines ou étrangères que sur le monde de l'industrie.
Le California Nanosystems Institute (CNSI), installé au coeur du campus de Los Angeles de l'université de Californie (UCLA), fait office d'un hôtel à projets accueillant des recherches nouvelles pour une durée maximale de cinq ans. Les permanents du centre sont des universitaires, enseignant dans différents départements de l'université, et symboles de l'interdisciplinarité de mise au sein de l'institut. Et côté recherche appliquée, il convient de noter que de nombreux industriels (Intel, HP, BASF, etc.) sont aussi partenaires du CNSI. L'université Stanford dispose également sur son campus d'un établissement de technologie à l'échelle nano, la Stanford Nanofabrication Facility (SNF). Cet établissement est financé par la National Science Fondation (NSF) et fonctionne sur un mode dit "user operated". Les utilisateurs, parmi lesquels un quart d'industriels, y travaillent librement et les 25 permanents de la SNF ne sont là que pour assurer la maintenance des instruments ainsi que la formation et la sécurité des usagers. Au sein de l'établissement, la politique est clairement au partage de savoir-faire. Une politique porteuse de succès comme tendent à le prouver deux start-up issues de la SNF : Matrix Memory, rachetée par Sandisk pour 250 millions de dollars et Silicon light Machines, rachetée par Cypress pour 100 millions de dollars.
Le cas de la Molecular Foundry, quant à lui, est tout particulièrement remarquable. Financé par le Department of Energy (DoE) suite au programme NNI, ce laboratoire a ouvert ses portes fin 2006 sur le campus de Berkeley. Un site choisi en raison de sa proximité avec d'autres "grands instruments" offrant des services complémentaires : l'Advanced Light Source (ALS, source de rayons X et UV) et le centre de calcul scientifique NERSC (Nansen Environmental and Remote Sensing Center). Mais aussi le National Center for Electronic Microscopy (NCEM), référence mondiale en matière de microscopie électronique. Après avoir été le berceau du premier microscope ARM (Atomic Resolution Microscope) à atteindre en routine la résolution de l'angström (10-10 mètre), le NCEM accueillera, d'ici 2009, le microscope TEAM (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope), qui permettra une résolution de 0,5 A grâce à la correction des aberrations sphériques et chromatiques.
La spécificité de la Molecular Foundry, qui met gratuitement à la disposition de porteurs de projets extérieurs, ses instruments, ses méthodes et ses chercheurs, réside dans sa volonté de réunir des chercheurs de cultures scientifiques différentes. Une réunion toujours propice à l'émergence de nouveaux champs d'investigation. Cent vingt-trois projets de synthèse, de caractérisation ou de modélisation de structures organiques et inorganiques à l'échelle nanométrique ont d'ores et déjà été soutenus.
L'essor de la nanobiophotonique
Première conséquence heureuse de la mise en place de telles centrales technologiques interdisciplinaires : une nouvelle dynamique dans le secteur de la nanobiophotonique. Ainsi le CNSI est fortement impliqué dans les biotechnologies. Les chercheurs utilisent notamment des matériaux organiques provenant de composants biologiques (ADN, virus, polymères, etc.) pour explorer de nouvelles pistes afin de remplacer, à terme, les technologies "semi- conducteurs inorganiques" et de diminuer les échelles. Du côté du Caltech, c'est essentiellement le groupe du professeur Scherer qui s'intéresse à la thématique de la nanobiophotonique. Des activités toujours orientées vers la recherche d'applications et la maîtrise des réalisations technologiques.
Parmi les développements récents, on peut citer la réalisation de lasers à cristaux photoniques et à microdisques (diamètre de 0,6 à 1,6 m) émettant dans le domaine visible (680 nm) et réalisés en phosphure mixte d'indium et de gallium (InGaP). La réalisation d'autres structures de détecteurs résonants à cristaux photoniques est aussi envisagée. Ces structures pourraient mener au développement de différents types de capteurs comme ce microlaser à colorant réalisé en microfluidique [4] qui permet de générer une puissance de 1 micro-W - niveau suffisant pour certaines applications biologiques. Le groupe travaille même sur une initiative de transfert industriel consistant à proposer un laboratoire sur puce (Lab on Chip) réalisant la PCR (Polymerase Chain Reaction), une étape nécessaire pour tous les tests à base d'ADN.
Les autres applications des technologies nanophotoniques largement étudiées en Californie sont celles dédiées aux technologies de l'information et de la communication (TIC). Il s'agit en effet là d'un domaine qui intéresse au plus haut point l'industrie de la microélectronique. Car introduire la photonique dans les circuits pourrait permettre de contourner les goulets d'étranglement de l'électronique pure concernant le transfert d'informations à haut débit. Les efforts les plus marquants portent sur la photonique sur silicium et les lasers hybrides III-V/Si issus d'une collaboration UCSB-Intel, sur la réalisation de modulateurs rapides à effet Stark intégrables sur silicium à Stanford et sur les développements du Caltech et de la société Luxtera pour les interconnexions optiques à 50 Gb/s.
Les TIC, figure de proue de la nanophotonique
Mais l'ensemble des recherches menées témoigne d'un effort pour exploiter dans le domaine des TIC les opportunités classiquement répertoriées des nanostructures photoniques : forte concentration du champ électromagnétique à l'échelle sub-longueur d'onde, lumière lente, métamatériaux à indice de réfraction négatif ou encore dispositifs intégrés pour l'information quantique. C'est le cas notamment à Stanford, avec une forte activité sur les cristaux photoniques, que ce soit pour des commutateurs tout-optiques rapides à très faible énergie de commande, des sources de photons uniques pour l'information quantique ou des circuits à retard optique préservant la cohérence du signal. C'est le cas également du côté du Caltech, où les nanostructures plasmoniques sont étudiées pour des commutateurs optiques à très faible énergie ou pour une communication très locale de signaux rapides.
Enfin, le domaine de l'information quantique n'est pas en reste, loin de là. Les études portent ici sur la cryptographie quantique ou sur des champs plus généraux comme la métrologie. Objectif final : atteindre le graal de l'ordinateur quantique. A l'université Stanford, le professeur Yamamoto et son équipe travaillent ainsi à la réalisation de sources de photon unique indispensables pour assurer la sécurité des communications quantiques. Ces scientifiques étudient également un nouveau protocole de communication quantique, baptisé "DPS QKD", basé sur une distribution de clef quantique à protocole de phase différentielle. En utilisant comme variable supplémentaire l'instant d'arrivée des photons, ce protocole permet d'obtenir une sécurité accrue par rapport au protocole QKD dans sa version de base, sans pour autant avoir recours à des sources de photon unique parfaites. Un protocole d'autant plus utile que les sources de photon unique parfaites n'existent pas encore.
