V2_Rapport_Photonique CNRS

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« Photonique & Horizons », CNRS & INSIS, Mars 2010

Photonique & Horizons

La photonique est à l’origine de nombreuses ruptures conceptuelles, technologiques et sociétales. Ce document a pour vocation d’aider au portage de cette discipline, en particulier via un travail d’identification thématique et communautaire du monde académique. Des travaux analogues ont été réalisés ou sont en cours de réalisation dans d’autres disciplines. Le résultat de cette expertise ne pouvait pas être exhaustif ; il consigne simplement les travaux d’une dizaine d’experts1 qui ont accepté cette charge, eux-mêmes aidés par de nombreux autres collègues2 sur la scène nationale. C’est ainsi que 13 grandes thématiques scientifiques ont été identifiées ; nous ne sommes pas revenus sur les impacts sociétaux de la photonique, que l’on pourra trouver dans plusieurs documents élaborés par les pôles de compétitivité ou le CNOP. Ce travail d’identification & portage pourra être poursuivi en synergie avec les sections du comité national, les groupements de recherche et d’intérêt scientifique, les fédérations, réseaux et écoles thématiques, les pôles de compétitivité…, et plus simplement les unités de recherche et leurs tutelles où sont accueillis nombre d’acteurs pour faire avancer le front de la connaissance.

1 C. Amra, A. Barthélemy, C. Boccara, D. Decoster, B. Desruelle, O. Gauthier-Lafaye, P. Georges, F. Goudail, F. Lozes, A. Ramdane, P. Royer, C. Seassal, M. Sentis, S. Valette, L. Vivien 2H. Benisty, S. Bize, S. Blaize, J. M. Blondy, P. Bouyer, X. Briottet, A. Browaeys, L. Buchaillot, R. Carminati, J. Chazelas, S. Chenais, T. Coudreau, M. E. Coupry, B. Dagens, S. Demiguel, V. Devlaminck, N. Dimarcq, B. Dubertret, J.Y. Duboz, S. Enoch, C. Fabre, S. Forget, M. Guarrigues, O. Haeberlé, X. Hugon, J. Kasparian, A. Landragin, J. L. Leclerc, M. Lequime, G. Lerondel, V. Malka, C. Man, J. Mangeney, A. de Martino, R. Moncorge, G. Pauliat, J. P. Poizat, Y. Rabinovitch, I. Robert, G. Rousset, O. Soppera, S. Tanzilli, C. Voisin, J. Yu, V. Zeninari,

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Sommaire

IMAGERIE ET MESURE ......................................................................................................... 9

1 . Techniques d’imagerie ............................................................................................. 10

2 . L’optique et le biomédical ....................................................................................... 21

3 . Spectro‐analyse ....................................................................................................... 26

4 . Mesures extrêmes ................................................................................................... 33

MATERIAUX ...................................................................................................................... 39

5 . Matériaux avancés .................................................................................................. 40

6 . Procédés technologiques Innovants ......................................................................... 60

GENERATION, CONTROLE ET DETECTION .......................................................................... 65

7 . Nanostructures photoniques ................................................................................... 66

8 . Sources de lumière .................................................................................................. 75

9 . Détection de lumière ............................................................................................... 87

10 . MOEMS et NOEMS .................................................................................................. 91

TRANSPORT ET TRAITEMENT DE L’INFORMATION ............................................................ 93

11 . Telecommunications optiques‐ Stockage optique .................................................... 94

12 . Technologies optoélectroniques et photoniques pour électronique des systèmes embarqués ........................................................................................................................ 99

13 . Optique et information quantique, optique atomique ............................................ 102

ANNEXES ......................................................................................................................... 110

14 . Quelques centrales de technologie ......................................................................... 111

15 . Recensement .......................................................................................................... 116

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Sommaire

IMAGERIE ET MESURE _______________________________________________________ 9

1 . Techniques d’imagerie _________________________________________________ 10

1.1 Périmètre ________________________________________________________________ 10

1.2 Imagerie hyperspectrale ____________________________________________________ 11 1.2.1 Enjeux, perspectives, défis _______________________________________________________ 11 1.2.2 Programmes de recherche nationaux ______________________________________________ 12 1.2.3 Recensement de la communauté française__________________________________________ 12

1.3 Imagerie polarimétrique ____________________________________________________ 12 1.3.1 Enjeux, perspectives, défis _______________________________________________________ 12 1.3.2 Evénements nationaux __________________________________________________________ 13 1.3.3 Evénements internationaux ______________________________________________________ 13 1.3.4 Recensement de la communauté française__________________________________________ 14

1.4 Optique adaptative ________________________________________________________ 14 1.4.1 Enjeux, perspectives, défis _______________________________________________________ 14 1.4.2 Programmes de recherche nationaux et internationaux _______________________________ 14 1.4.3 Evénements nationaux __________________________________________________________ 15 1.4.4 Evénements internationaux ______________________________________________________ 15 1.4.5 Recensement de la communauté française__________________________________________ 15

1.5 Imagerie pénétrante _______________________________________________________ 15 1.5.1 Imagerie THz __________________________________________________________________ 15 1.5.2 Imagerie X ____________________________________________________________________ 15 1.5.3 Imagerie Γ ___________________________________________________________________ 16 1.5.4 Communauté nationale _________________________________________________________ 16

1.6 Nouvelles microscopies _____________________________________________________ 16 1.6.1 Enjeux, perspectives, défis _______________________________________________________ 16 1.6.2 Principales conférences internationales du domaine __________________________________ 16 1.6.3 Structuration de la communauté française __________________________________________ 17

1.7 Imagerie en champ proche __________________________________________________ 17 1.7.1 Enjeux, perspectives, défis _______________________________________________________ 17 1.7.2 Evénements nationaux __________________________________________________________ 18 1.7.3 Evénements internationaux ______________________________________________________ 18 1.7.4 Position de la France dans le contexte international __________________________________ 18 1.7.5 Recensement de la communauté française__________________________________________ 18

1.8 Imagerie dans les milieux diffusants __________________________________________ 18 1.8.1 Enjeux, perspectives, défis _______________________________________________________ 18 1.8.2 Communauté française _________________________________________________________ 19 1.8.3 Conférences internationales _____________________________________________________ 19

1.9 Co‐conception et détection compressive : vers une unification encore plus étroite de l’imagerie et du traitement du signal. _______________________________________________ 19 1.9.1 Enjeux, perspectives, défis _______________________________________________________ 19 1.9.2 Evénements internationaux ______________________________________________________ 20

2 . L’optique et le biomédical ______________________________________________ 21

2.1 Périmètre ________________________________________________________________ 21

2.2 Biologie _________________________________________________________________ 21

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2.3 Médecine ________________________________________________________________ 23 2.3.1 Le Diagnostic Médical __________________________________________________________ 23 2.3.2 La Thérapie ___________________________________________________________________ 24 2.3.3 L’Optique Biomédicale et les Centrales _____________________________________________ 25 2.3.4 L’Optique biomédicale en France _________________________________________________ 25 2.3.5 Quelques exemples de congrès ___________________________________________________ 25

3 . Spectro‐analyse ______________________________________________________ 26

3.1 Spectromètre optique intégré _______________________________________________ 26 3.1.1 Périmètre ____________________________________________________________________ 26 3.1.2 Réseaux de diffraction __________________________________________________________ 26 3.1.3 Spectromètres de Fourier _______________________________________________________ 26 3.1.4 Fabry‐Pérot et filtrage optique ___________________________________________________ 27 3.1.5 Défis – Enjeux _________________________________________________________________ 27 3.1.6 Les principaux programmes de recherche – Les manifestations nationales et internationales __ 27 3.1.7 Les acteurs français du domaine __________________________________________________ 27

3.2 Applications à l’atmosphère d’impulsions ultra‐brèves ___________________________ 28 3.2.1 Périmètre ____________________________________________________________________ 28 3.2.2 Défis – Enjeux _________________________________________________________________ 28 3.2.3 Les principaux programmes de recherche – Les manifestations nationales et internationales __ 28 3.2.4 Les acteurs français du domaine __________________________________________________ 29

3.3 LIBS : une technique émergente pour analyse élémentaire ________________________ 29 3.3.1 Périmètre ____________________________________________________________________ 29 3.3.2 Défis – Enjeux _________________________________________________________________ 30 3.3.3 Les principaux programmes de recherche – Les manifestations nationales et internationales __ 30 3.3.4 Les acteurs français du domaine __________________________________________________ 31

3.4 Spectrométrie infrarouge avec laser à cascade quantique _________________________ 31 3.4.1 Périmètre ____________________________________________________________________ 31 3.4.2 Défis – Enjeux _________________________________________________________________ 31 3.4.3 Les principaux programmes de recherche – Les manifestations nationales et internationales – les principaux acteurs français ______________________________________________________________ 31

4 . Mesures extrêmes _____________________________________________________ 33

4.1 Périmètre ________________________________________________________________ 33

4.2 Métrologie des fréquences micro‐ondes _______________________________________ 33 4.2.1 Fontaines atomiques ___________________________________________________________ 33 4.2.2 Horloges spatiales à atomes froids ________________________________________________ 33 4.2.3 Horloges à piégeage cohérent de population ________________________________________ 34 4.2.4 Horloges à atomes froids compactes _______________________________________________ 34 4.2.5 Oscillateurs micro‐onde ultra stables ______________________________________________ 34

4.3 Métrologie des fréquences optiques __________________________________________ 34 4.3.1 Dissémination de références de fréquence et transfert du temps ________________________ 35 4.3.2 Interféromètres à ondes de matière _______________________________________________ 35

4.4 Interféromètres ultrasensibles _______________________________________________ 36

4.5 Métrologie des distances ___________________________________________________ 36

4.6 Programmes nationaux, positionnement international ___________________________ 37

4.7 Structuration de la communauté _____________________________________________ 37

MATERIAUX ______________________________________________________________ 39

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5 . Matériaux avancés ____________________________________________________ 40

5.1 Périmètre ________________________________________________________________ 40

5.2 Semi‐conducteurs à grand gap _______________________________________________ 40 5.2.1 ZnSe‐ZnS et alliages ____________________________________________________________ 41 5.2.2 ZnO _________________________________________________________________________ 41 5.2.3 GaN et alliages ________________________________________________________________ 42 5.2.4 SiC __________________________________________________________________________ 42 5.2.5 Diamant _____________________________________________________________________ 43 5.2.6 Programmes nationaux, positionnement international ________________________________ 43 5.2.7 Recensement de communauté ___________________________________________________ 43

5.3 Semi‐conducteurs poreux : matériaux photoniques multifonctionnels ______________ 44 5.3.1 Généralités et faits marquants ___________________________________________________ 44 5.3.2 Perspectives __________________________________________________________________ 45 5.3.3 Principaux événements nationaux et internationaux __________________________________ 45 5.3.4 Résumé ______________________________________________________________________ 46

5.4 Les céramiques transparentes pour l’optique ___________________________________ 46 5.4.1 Historique ____________________________________________________________________ 46 5.4.2 Perspectives technologiques _____________________________________________________ 47 5.4.3 Programmes nationaux et internationaux ___________________________________________ 47

5.5 Les polymères‐ Application à l’optique ________________________________________ 47 5.5.1 Généralités : les polymères pour l’optique __________________________________________ 47 5.5.2 Les photopolymères ____________________________________________________________ 48 5.5.3 Les principaux défis ____________________________________________________________ 50 5.5.4 Principaux événements nationaux et internationaux __________________________________ 50 5.5.5 Principaux acteurs académiques nationaux _________________________________________ 50 5.5.6 Industriels potentiels ___________________________________________________________ 50

5.6 Les boîtes quantiques colloïdales ; un matériau aux multiples facettes ______________ 50 5.6.1 Périmètre ____________________________________________________________________ 50 5.6.2 Perspectives scientifiques, défis __________________________________________________ 51 5.6.3 Programmes nationaux et positionnement international _______________________________ 52 5.6.4 Recensement de communauté ___________________________________________________ 52

5.7 Cristaux pour l’optique et les lasers ___________________________________________ 52 5.7.1 Périmètre ____________________________________________________________________ 52 5.7.2 Les cristaux luminescents ________________________________________________________ 52 5.7.3 Les cristaux à forte susceptibilité diélectrique _______________________________________ 53 5.7.4 Perspectives scientifiques, défis __________________________________________________ 54 5.7.5 Programmes nationaux, positionnement international ________________________________ 56 5.7.6 Evénements internationaux ______________________________________________________ 56 5.7.7 Recensement de communautés __________________________________________________ 56

5.8 Les nanotubes de carbone __________________________________________________ 57 5.8.1 Périmètre et contexte __________________________________________________________ 57 5.8.2 Perspectives et défis ___________________________________________________________ 58 5.8.3 Programmes nationaux, positionnement international ________________________________ 59 5.8.4 Recensement de communauté ___________________________________________________ 59

6 . Procédés technologiques Innovants ______________________________________ 60

6.1 Périmètre ________________________________________________________________ 60

6.2 Les procédés de modification des propriétés d’un matériau sans enlèvement de matière 60 6.2.1 Dopage, Recuit, Cristallisation ____________________________________________________ 60 6.2.2 Modification d’indice 2D et 3D ___________________________________________________ 60

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6.3 Procédés de création de nouveaux matériaux __________________________________ 61 6.3.1 Films minces, films nano‐structurés par PLD _________________________________________ 61 6.3.2 Production de nano‐agrégats fonctionnalisés en milieux gazeux ou liquide ________________ 61

6.4 Procédés de traitements de surface ___________________________________________ 62

6.5 Procédés de micro et nano‐usinage 2D et 3D ___________________________________ 62 6.5.1 Usinage direct _________________________________________________________________ 62 6.5.2 Nano‐Usinage par renforcement local du champ laser _________________________________ 63

6.6 Programmes nationaux, européens et positionnement international _______________ 63

6.7 Acteurs principaux et positionnement international _____________________________ 63

GENERATION, CONTROLE ET DETECTION _______________________________________ 65

7 . Nanostructures photoniques ____________________________________________ 66

7.1 Périmètre ________________________________________________________________ 66

7.2 Structures plasmoniques ___________________________________________________ 67 7.2.1 Propriétés physiques des plasmons et modélisation __________________________________ 67 7.2.2 Transmission extraordinaire sur les tamis à photons __________________________________ 68 7.2.3 Les nano‐antennes _____________________________________________________________ 68 7.2.4 Lasers, LED, OLED, cellules photovoltaïques _________________________________________ 68 7.2.5 Biocapteurs, nanostructures hybrides, plasmonique moléculaire ________________________ 68 7.2.6 Plasmonique "originelle" ________________________________________________________ 69 7.2.7 La « circuiterie » plasmonique ____________________________________________________ 69

7.3 Couches minces optiques ___________________________________________________ 69 7.3.1 Les techniques de synthèse ______________________________________________________ 69 7.3.2 Les procédés énergétiques ______________________________________________________ 70 7.3.3 Le contrôle in situ du composant __________________________________________________ 70 7.3.4 La tenue aux flux lumineux intenses _______________________________________________ 70

7.4 Cristaux photoniques ______________________________________________________ 70 7.4.1 Modes de lumière lente, ingénierie de la dispersion __________________________________ 70 7.4.2 Nouveaux matériaux, nouvelles fonctions __________________________________________ 70 7.4.3 Vers une gamme spectrale plus étendue ___________________________________________ 71 7.4.4 Méthodes de conception, de réalisation et de caractérisation ___________________________ 71

7.5 Métamatériaux ___________________________________________________________ 71

7.6 Fibres optiques nanostructurées _____________________________________________ 72 7.6.1 Structures PCF fonctionnalisées ___________________________________________________ 72 7.6.2 Technologie sol‐gel, fibres composites, nano‐inclusions _______________________________ 72 7.6.3 Ondes de plasmon _____________________________________________________________ 72

7.7 Programmes nationaux, positionnement international ___________________________ 72 7.7.1 Plasmonique __________________________________________________________________ 72 7.7.2 Couches minces optiques ________________________________________________________ 73 7.7.3 Cristaux photoniques ___________________________________________________________ 73 7.7.4 Métamatériaux ________________________________________________________________ 73 7.7.5 Fibres optiques nanostructurées __________________________________________________ 73

7.8 Évolution et recensement de communauté _____________________________________ 73 7.8.1 Plasmonique __________________________________________________________________ 73 7.8.2 Couches minces optiques ________________________________________________________ 74 7.8.3 Cristaux photoniques ___________________________________________________________ 74 7.8.4 Métamatériaux ________________________________________________________________ 74 7.8.5 Fibres optiques nanostructurées __________________________________________________ 74

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8 . Sources de lumière ____________________________________________________ 75

8.1 Périmètre ________________________________________________________________ 75

8.2 Lasers à semi‐conducteur ___________________________________________________ 75 8.2.1 Amélioration des propriétés de gain du matériau actif ________________________________ 75 8.2.2 Augmentation du spectre d’émission accessible ______________________________________ 76 8.2.3 Amélioration des performances des composants, obtention des performances ultimes ______ 76 8.2.4 Ruptures technologiques : VECSELS, Cristaux photoniques, micro‐lasers __________________ 76 8.2.5 Intégration photonique (interne/externe) __________________________________________ 77 8.2.6 Lasers à cascade quantique ______________________________________________________ 77 8.2.7 Recensement _________________________________________________________________ 78

8.3 Diodes électroluminescentes inorganiques (LED) ________________________________ 79

8.4 Diodes électroluminescentes organiques (OLED) ________________________________ 80 8.4.1 Recensement _________________________________________________________________ 81

8.5 Sources lasers à l’état solide _________________________________________________ 81 8.5.1 Lasers solides pompés par diodes _________________________________________________ 81 8.5.2 Lasers à fibre _________________________________________________________________ 82 8.5.3 Conversion non linéaire _________________________________________________________ 83 8.5.4 Recensement _________________________________________________________________ 83

8.6 Sources de lumière extrême _________________________________________________ 83 8.6.1 Grands instruments laser ________________________________________________________ 83 8.6.2 Rayonnement synchrotron et laser à électrons libres __________________________________ 85

9 . Détection de lumière __________________________________________________ 87

9.1 Périmètre ________________________________________________________________ 87

9.2 Détection pour le traitement de l’information haut débit _________________________ 87

9.3 Les imageurs _____________________________________________________________ 87

9.4 Les cellules photovoltaïques _________________________________________________ 89

9.5 Acteurs, programmes et événements principaux ________________________________ 90

10 . MOEMS et NOEMS ____________________________________________________ 91

10.1 Contexte _______________________________________________________________ 91

10.2 Les champs d’application _________________________________________________ 91

10.3 Prospectives ____________________________________________________________ 92

TRANSPORT ET TRAITEMENT DE L’INFORMATION ________________________________ 93

11 . Telecommunications optiques‐ Stockage optique____________________________ 94

11.1 Périmètre ______________________________________________________________ 94

11.2 Télécommunications optiques _____________________________________________ 95

11.3 Intégration de la photonique sur circuits CMOS _______________________________ 95

11.4 Stockage optique ________________________________________________________ 97

11.5 Programmes nationaux, positionnement international _________________________ 97

11.6 Evolution et recensement de communauté ___________________________________ 98

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12 . Technologies optoélectroniques et photoniques pour électronique des systèmes embarqués _______________________________________________________________ 99

12.1 Périmètre ______________________________________________________________ 99 12.1.1 Câblage et déport optique _______________________________________________________ 99 12.1.2 Traitement optique de signaux hyperfréquences ____________________________________ 100

12.2 Axes d’étude __________________________________________________________ 100

12.3 Principaux événements nationaux et internationaux __________________________ 101

12.4 Principaux acteurs académiques __________________________________________ 101

13 . Optique et information quantique, optique atomique _______________________ 102

13.1 Périmètre _____________________________________________________________ 102

13.2 Sources atomiques ultrafroides ___________________________________________ 102 13.2.1 Les gaz ultrafroids : un milieu « opaque » __________________________________________ 103 13.2.2 Les mélanges dégénérés fermions‐bosons, vers des simulateurs quantiques pour la matière condensée __________________________________________________________________________ 103 13.2.3 Le laser à atomes, vers une « nouvelle » optique atomique ____________________________ 103

13.3 Composants pour l’optique atomique ______________________________________ 104

13.4 Communications quantiques _____________________________________________ 104

13.5 Génération et détection d'états quantiques de la lumière ______________________ 105

13.6 Mémoires quantiques ___________________________________________________ 105

13.7 Portes logiques quantiques _______________________________________________ 106

13.8 Imagerie quantique _____________________________________________________ 108

13.9 Manipulation optique de spin _____________________________________________ 109

13.10 Programmes nationaux, positionnement international ________________________ 109

13.11 Structuration de la communauté __________________________________________ 109

ANNEXES ________________________________________________________________ 110

14 . Quelques centrales de technologie ______________________________________ 111

14.1 Grandes centrales technologiques _________________________________________ 111 14.1.1 Le programme RTB ____________________________________________________________ 111 14.1.2 La photonique dans le programme RTB____________________________________________ 112

14.2 Les centrales spécifiques et/ou de proximité ________________________________ 113

14.3 Plateforme fibres optiques de nouvelle génération ___________________________ 114

15 . Recensement ________________________________________________________ 116

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IMAGERIE ET MESURE

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1 . TECHNIQUES D’IMAGERIE

1.1 Périmètre

L’imagerie est au cœur de nombreux développements récents dans le domaine de la photonique. C’est aussi souvent le vecteur par lequel les technologies photoniques diffusent dans d’autres domaines scientifiques. Le développement rapide de l’imagerie est rendu possible par les progrès technologiques réalisés essentiellement dans deux domaines. Le premier est l’instrumentation, en particulier les capteurs d’images, qui permettent de réaliser des images dans des domaines autrefois interdits comme le faible flux, les phénomènes rapides ou dans de nouvelles gammes spectrales, mais aussi les modulateurs spatiaux de lumières (en intensité, en phase ou en polarisation), qui sont des éléments essentiels dans de nombreuses techniques d’imagerie innovantes. Le second est l’augmentation de la capacité des moyens de calcul. En effet, les systèmes d’imagerie modernes utilisent tous des traitements numériques pour extraire ou représenter l’information et nécessitent pour cela des puissances de calcul toujours croissantes. On constate également que les développements instrumentaux en imagerie suscitent de nouvelles questions théoriques, ou plutôt les posent avec une acuité nouvelle, de nouveaux moyens d’observation et des perspectives applicatives suscitant souvent l’effort nécessaire pour faire sauter des verrous théoriques. C’est le cas par exemple pour le rayonnement thermique en champ proche, dont l’étude théorique a connu un regain d’intérêt grâce aux progrès de la microscopie de champ proche, ou de l’imagerie de polarisation où les masses de données rendues disponibles par les imageurs polarimétriques poussent à approfondir la théorie des matrices de Mueller. Cet aller-retour entre développements expérimentaux et recherche théorique est l’une des caractéristiques les plus intéressantes du domaine de l’imagerie. D’une manière générale, un grand nombre de mesures physiques qui étaient autrefois réalisées de manière ponctuelle le sont maintenant sous forme d’images à N dimensions. C’est le cas par exemple des mesures spectrales, polarimétriques ou des propriétés non-linéaires de la matière. Cela induit une convergence toujours plus forte entre les domaines de l’instrumentation, de la physique et du traitement du signal et des images. En effet, le développement d’une technique d’imagerie fait aujourd’hui intervenir de manière totalement imbriquée et simultanée l’instrumentation, qui permet d’acquérir le signal, le traitement du signal, qui permet d’extraire l’information utile du signal mesuré et la physique qui permet d’interpréter les mesures et d’en suggérer de nouvelles. Aujourd’hui, un imageur n’est donc plus simplement un instrument mais un système complet. Cela induit des convergences entre des domaines de la physique autrefois disjoints. Cette confluence peut se manifester au niveau des technologies instrumentales : l’optique adaptative en est un bon exemple, puisqu’elle a diffusé de l’observation militaire vers l’astronomie, et maintenant vers le domaine de l’imagerie biomédicale. On peut aussi citer le concept de synthèse d’ouverture, développé à l’origine dans le domaine du radar et du sonar, qui est de plus en plus utilisé pour augmenter la résolution des imageurs optiques. Enfin, c’est l’application des technologies micro-électroniques à la photonique qui permet de concevoir des capteurs de taille toujours plus réduite et d’intégrer des fonctions de traitement dans le capteur lui-même. Cette confluence se manifeste également au niveau des techniques de traitement numérique des images, qui peuvent être vues comme un trait d’union entre des techniques d’imagerie qui intéressent des domaines de la physique très différents. Ainsi, la déconvolution d’images, l’estimation de position, la reconstruction et la visualisation de données multidimensionnelles sont des problématiques communes à des communautés aussi différentes que l’astronomie, la télédétection ou l’imagerie biologique. L’imagerie est donc un domaine où la pluridisciplinarité est non seulement souhaitable mais absolument nécessaire, où elle s’exprime d’ailleurs déjà et ne demande qu’à être reconnue et soutenue.

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Dans la suite de ce texte, on décrit les perspectives et enjeux de différentes techniques d’imagerie. L’imagerie est un domaine foisonnant qui recouvre pratiquement tous les domaines de la physique, il n’est donc pas possible de prétendre à l’exhaustivité. Notre objectif est donc simplement de donner des exemples en insistant sur leur aspect pluridisciplinaire et innovant. Nous avons choisi les domaines suivants : l’imagerie hyperspectrale, l’imagerie polarimétrique, l’optique adaptative, l’imagerie pénétrante, les nouvelles techniques de microscopie, l’imagerie à travers les milieux diffusants. Nous conclurons avec des approches récentes qui unifient encore plus étroitement imagerie et traitement de l’information : la co-conception et la détection compressive. Pour chacun de ces domaines, nous avons fait la liste des événements et des programmes de recherche nationaux et internationaux ainsi qu’une liste des principaux laboratoires français, sans prétendre ici non plus à l’exhaustivité.

1.2 Imagerie hyperspectrale

1.2.1 Enjeux, perspectives, défis

L’imagerie spectrale consiste à faire une image dans plusieurs bandes spectrales différentes pour obtenir une analyse spectrale de chaque point d’une scène. Cette technique a connu ses premiers développements importants dans le domaine de la géologie puis de la défense. Aujourd’hui, alors que des instruments commerciaux fiables apparaissent, les applications potentielles dans le domaine civil sont innombrables mais demandent en général des sensibilités et des précisions très importantes. Elles constituent autant de défis en termes d’instrumentation, de modélisation physique et de traitement. La plupart des instruments existants fonctionnent dans le spectre visible et proche infra-rouge (appelé aussi domaine réflectif) et reposent sur une technologie dispersive utilisant un réseau de diffraction. Le domaine infra-rouge plus lointain (domaine émissif) a été moins exploré bien qu’il recèle de nombreuses applications potentielles dans les domaines de la géologie, de la défense et du contrôle de l’environnement. Dans ce domaine spectral, des recherches instrumentales sont menées en parallèle sur des méthodes dispersives et des méthodes par transformée de Fourier. Ce dernier type d’architecture, qui présente des avantages en termes d’instrumentation et de rapport signal à bruit nécessite à la fois des développements instrumentaux en ce qui concerne les méthodes d'étalonnage et plus fondamentaux sur la manière de définir les résolutions spatiale et spectrale de ces instruments, où le spectre est mesuré de manière indirecte. En matière d’interprétation physique des images, un enjeu essentiel est la modélisation des échanges radiatifs dans le système Terre-atmosphère. Lorsque les instruments ont des résolutions spatiales faibles, il est raisonnablement possible d’assimiler les zones observées à des surfaces planes. Or on peut maintenant accéder à de la haute résolution spatiale (inférieure au mètre en aéroporté), ce qui nécessite de prendre en compte la structure 3D du paysage dans l’interprétation physique des images. En particulier, de nouveaux outils de modélisation des échanges énergétiques et d'inversion pour remonter aux propriétés radiatives du milieu observé sont nécessaires. Les enjeux en matière de traitements des données apparaissent à plusieurs niveaux. Tout d’abord, pour remonter aux propriétés intrinsèques des matériaux observés, c’est-à-dire leur réflectance, il faut disposer de modèles de compensation atmosphérique. Les principaux enjeux portent sur l'amélioration de la précision de ces méthodes et la prise en compte de surfaces non homogènes. Ensuite, le développement de méthodes performantes permettant de remonter aux propriétés biophysiques des milieux afin de caractériser l'environnement constitue également une problématique importante pour toute la communauté des thématiciens. D’autre part, l’analyse des données hyperspectrales pour évaluer les contributions de matériaux présents sur un même pixel (recherche de pôles de mélange) demande de nouveaux développements en particulier lorsque le milieu observé ne reçoit pas un éclairement homogène ou en présence de relief. Enfin, la compréhension des milieux observés en exploitant l'information spectrale est basée sur l'utilisation de bases de données de propriétés optiques spectrales complètes et représentatives. Leur acquisition repose sur l'utilisation de moyens spectrométriques tant de laboratoire que de terrain dont les performances doivent être améliorées et adaptées au type de milieu.

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Comme dans tous les systèmes d’imagerie modernes, les considérations de traitement des données doivent intervenir dès la conception du système. En effet, on assiste à la multiplication de capteurs hyper ou multispectraux dédiés à une application précise, qui peut aller de l’analyse de tableaux de maîtres à l’identification de jets de propulseurs en passant par l’imagerie biomédicale. Chacune de ces applications a des besoins spécifiques en termes de résolution spectrale, de rapidité des mesures, de miniaturisation du capteur. La sélection du nombre et de la nature des bandes spectrales suffisantes pour résoudre une application donnée est donc un enjeu essentiel, qui nécessite des efforts théoriques (algorithmes) mais aussi expérimentaux, car on a besoin de bases de données fiables et représentatives pour étayer ces choix. Une autre tendance lourde dans le domaine de l’imagerie est la fusion des capteurs de natures différentes. Elle est particulièrement pertinente en imagerie spectrale. Il est par exemple très intéressant d’associer les techniques photoniques hyperspectrales passives aux techniques actives, basées sur des lidars. Leur utilisation conjointe nécessite des efforts sur les aspects instrumentaux et algorithmiques de fusion de données et de recalage des images. Il est important de remarquer que toutes ces problématiques relient étroitement la physique de l’image, la conception du système d’imagerie et le traitement. Leur résolution doit donc faire l’objet d’une étroite collaboration entre physiciens expérimentateurs, théoriciens et spécialistes du traitement des images.

1.2.2 Programmes de recherche nationaux

- En 2007, l'ONERA-DOTA avec le soutien de la DGA lance le développement d'un nouvel imageur aéroporté hyperspectral de résolution spatiale métrique sur l'ensemble du domaine optique [0,4 – 12 µm]. Les premières images sont attendues pour 2012.

- Le CNES a mis en place en 2008 un groupe de synthèse sur l'imagerie hyperspectrale spatiale pour identifier l'intérêt et l'apport de cette technique dans la compréhension de l'environnement (végétation, environnement côtier, géoscience, milieu urbain). Les organismes suivants : CEA-DAM, Actimar, Université de Bordeaux, Université de Nantes, BRGM, ONERA-DOTA, IPGP y participent, ainsi que les industriels TAS, Astrium.

- Le CNES a lancé en 2009 une phase 0 auprès des industriels pour la définition d'un imageur hyperspectral HyPxim ([0,4 – 2,5 µm].

- En Septembre 2009, le CEA-DAM, l'ONERA-DOTA et l'université de Nantes lancent un groupe de recherche qui se veut structurant pour la communauté scientifique française en imagerie hyperspectrale.

1.2.3 Recensement de la communauté française

CEA-DAM, Actimar, Université de Bordeaux, Université de Nantes, BRGM, ONERA-DOTA, IPGP, GIPSA, LCFIO.

1.3 Imagerie polarimétrique


On réalise depuis très longtemps des mesures d’état de polarisation en physique, mais grâce à la démocratisation des capteurs d’images et des modulateurs spatiaux de lumière, on peut aujourd’hui réaliser ces mesures sous forme d’images. L’imagerie polarimétrique consiste donc à former l’image de l’état de polarisation de la lumière rétrodiffusée par chaque point d’une scène. Cette technique peut révéler des contrastes qui n’apparaissent pas dans les images classiques. Plus généralement, les mesures polarimétriques permettent de remonter à des propriétés physiques des objets observés telles que l’état des surfaces (rugosité et anisotropie), l’orientation, l’indice des matériaux, la concentration d’une solution, et même les dimensions d’objets plus petits que la limite de résolution de l’optique. Elles ont de nombreuses applications potentielles en astronomie, en télédétection terrestre et spatiale, en imagerie biologique et en contrôle industriel.

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En termes d’instrumentation, les vingt dernières années ont vu des progrès sensibles dans la compacité et l’efficacité des systèmes. En France, plusieurs architectures reposant sur des modulateurs à cristaux liquides ou des séparateurs de polarisation ont été réalisées, et même intégrées à des ellipsomètres commerciaux. Des capteurs plus intégrés, reposant par exemple sur des microgrilles de polariseurs placées devant le capteur, commencent à être développés, principalement aux Etats-Unis. L’apparition de ces imageurs a nécessité des travaux théoriques sur l’optimisation de la robustesse au bruit et la calibration. La disponibilité de données en grand nombre a également suscité un regain d’activité théorique sur la représentation des propriétés de polarisation de la matière, en particulier la théorie des matrices de Mueller et leurs décompositions en éléments simples. Aujourd’hui, l’objectif de cette communauté est une diffusion plus généralisée des mesures polarimétriques à différents domaines applicatifs tels que l’imagerie biomédicale, le contrôle industriel et la défense. Cela implique des efforts en termes d’instrumentation, de modélisation physique et de traitement du signal. Concernant le premier aspect, il faut développer des composants, une instrumentation et des architectures de mesure adaptées à chaque application. C’est en particulier le cas en imagerie biomédicale, où il faut coupler l’imagerie polarimétrique avec différentes modalités existantes telles que la microscopie linéaire (classique ou confocale), l’OCT (Optical Coherence Tomography) ou encore la microscopie de fluorescence. L’intérêt de mesures polarimétriques complètes doit être évalué pour les techniques plus récentes de microscopie non linéaire (génération de 2nd ou 3e harmonique, CARS…). En télédétection, l’adjonction de capacités polarimétriques à des modalités d’imagerie active est aussi une perspective prometteuse. Ces nouvelles applications mettent en jeu des milieux de propagation de natures différentes, souvent complexes, aléatoires, diffusants comme les milieux biologiques. Un effort théorique est nécessaire pour mieux comprendre la propagation de la lumière polarisée et son interaction avec ces milieux. Dans le cas d’une illumination cohérente, c’est aussi une occasion de revisiter les relations entre cohérence et polarisation, qui font l’objet de travaux théoriques intenses dans la communauté internationale et où de nouveaux moyens de mesures permettraient à la fois de trouver des applications et de susciter des questions théoriques nouvelles. L’objectif final de tout système d’imagerie est d’extraire une information de la scène observée. C’est pourquoi les efforts de modélisations physiques et de développement de méthodes de traitement du signal doivent se faire en étroite interaction. L’information polarimétrique est de nature vectorielle, un peu comme l’imagerie spectrale, mais la topologie de l’espace décrit par les mesures est plus complexe car non linéaire. Il est ainsi plus difficile de déterminer des distances, et donc des techniques optimales de traitement du signal. Des avancées théoriques dans ce domaine permettraient de mieux dimensionner les systèmes, en permettant de déterminer les stratégies de mesure (nombre et nature des grandeurs mesurées) adaptées à chaque nouvelle application. C’est un enjeu d’autant plus crucial que chaque nouvelle application de l’imagerie polarimétrique présente des besoins (rapidité, précision, …) différents.

1.3.2 Evénements nationaux

- Réunions « Imagerie optique non conventionnelle » de l’intergroupe GDR Isis-Onde (« Extraction de l'information et physique des images ») donnent une large place à l’imagerie polarimétrique.

- Les journées « Optique et polarisations » réunissent tous les ans les laboratoires français les plus impliqués dans les thématiques liées à la polarimétrie en optique linéaire et non linéaire (voir liste plus loin).

1.3.3 Evénements internationaux

- Conférence SPIE « Polarization: Measurement, Analysis, and Remote Sensing », chaque année soit en avril, soit en août.

- International conference on spectroscopic ellipsometry (ICSE), qui consacre une part significative des exposés à l’imagerie polarimétrique. La périodicité est passée de 4 à 3 ans.

- EOS topical meeting on Avanced Imaging Techniques, bi-annuel, présence de la thématique imagerie polarimétrique

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La France est sans doute le pays d’Europe où le domaine est le plus actif. Les laboratoires les plus présents sont : LCFIO, LPICM (Ecole Polytechnique), LSIIT (Strasbourg), LAGIS (Lille), Institut Fresnel, LSOL (Université de Bretagne Occidentale), Thalès TRT Palaiseau (D. Dolfi), ONERA DOTA, IETR (Université de Rennes I), LPQM Cachan, Institut de Physique de Rennes, MIPS, LE2I (Le Creusot).

1.4 Optique adaptative


L’optique adaptative est une technique qui permet de compenser les défauts du front d’onde induits par les fluctuations de l’indice du milieu de propagation afin d’améliorer la résolution des images. Cette technologie a d’abord été développée pour l’observation militaire, mais elle a connu ses plus éclatants succès en astronomie car elle permet aux télescopes terrestres d’exploiter la pleine ouverture de leurs miroirs. Aujourd’hui, elle est devenue un élément indispensable de tous les projets de grands télescopes, comme par exemple le projet d’Extremely Large Telescope (ELT) de l’ESO (European Southern Observatory). Les enjeux dans ce domaine sont de repousser les limites de la technologie pour contribuer, en association avec d’autres types de mesures, à résoudre des applications telles l’observation des galaxies primordiales et la détection d’exo-planètes. C’est le cas par exemple de l’instrument SPHERE, destiné à équiper le VLT (ESO), qui combine une optique adaptative extrêmement performante, un coronographe et des systèmes d’imagerie spectrale et polarimétriques, dites différentielles. L’optique adaptative diffuse dans d’autres domaines que l’astronomie, au premier rang desquels on trouve l’imagerie biomédicale. Elle permet en particulier de traiter les milieux turbides (transparents mais sujets à des fluctuations d’indice) tels que l’œil. Par exemple, l’imagerie du fond de la rétine est une méthode de diagnostic très importante de certaines maladies graves de l’œil mais nécessite pour cela de résoudre les photorécepteurs dont la taille est de 1 à 2 µm. Les systèmes classiques n’atteignent pas cette résolution en raison des fluctuations de chemin optique dans le segment antérieur de l’œil, mais ce problème peut être résolu en les compensant par des techniques d’optique adaptative. Couplé à un système d’OCT (Optical Coherence Tomography), cela permettra d’obtenir une image résolue en trois dimensions des photorécepteurs de la rétine. L’application de l’optique adaptative à la biologie requiert bien entendu une adaptation des techniques instrumentales, mais elle nécessite surtout des études fondamentales sur les fluctuations des milieux biologiques, qui sont moins bien connues que celles de l’atmosphère. En effet, une bonne modélisation de la structure spatiale et de la dynamique temporelle des défauts d’indices dans les milieux biologiques est essentielle pour définir les algorithmes de contrôle de la boucle de rétroaction du miroir déformable. Ces études sont encore plus cruciales si l’on souhaite appliquer l’optique adaptative à l’imagerie dans les milieux biologiques diffusants (par exemple le cerveau par microscopie à deux photons) dont les propriétés sont encore plus éloignées de celles de l’atmosphère. Les autres applications de l’optique adaptative sont la focalisation des lasers très puissants ou de haute énergie (laser mégajoule par exemple), ldes télécommunications optiques en espace libre, les faisceaux lumineux des synchrotrons et bien sûr de la défense.

1.4.2 Programmes de recherche nationaux et internationaux

- Optiques adaptatives des ELT et des instruments scientifiques (E-ELT en Europe et TMT aux USA)

- Instruments scientifiques du VLT pour le grand champ avec étoile lasers (MUSE, AOF), la détection d’exoplanètes (SPHERE) et l’observation du trou noir du centre galactique (VLTI GRAVITY)

- Imagerie de la rétine à l’institut de la vision (hôpital des XV-XX) - Microscopie à deux photons dans le cerveau, synchrotron Soleil, laser Mégajoule au CEA, lasers

intenses …

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Journées Recherche Industrie de l'Optique Adaptative chaque année en novembre.


- Conférence SPIE : Astronomical Telescopes and Instrumentation - Conférence OSA : Adaptive Optics: Methods, Analysis and Applications


- Laboratoires de l’INSU (CNRS) : CRAL/observatoire de Lyon, GEPI/Observatoire de Paris, LAM/Université Aix-Marseille, LAOG/Université J. Fourier, LESIA/ Observatoire de Paris…

LPS/ENS, ESPCI, SOLEIL, LOA/ENSTA, LULI/Ecole Polytechnique, L2TI/Université Paris 13, ONERA, CEA, Hôpital des XV-XX, IBL/Lille… - Industriels : Thales TRT, Sagem, Imagine optic, Imagine Eyes, Shaktiware, Cilas, Alpao, Phasics,

Phaseview, Silios…

1.5 Imagerie pénétrante

Les progrès technologiques réalisés ces dernières années dans le domaine des sources de lumière et des photodétecteurs ont permis de faciliter l’accès à des bandes spectrales jusque là peu exploitées pour l’imagerie, comme le domaine TéraHertz ou celui des rayons X et Γ. Dans ces domaines de longueur d’onde, un nombre important de matériaux présente une bonne transparence qui peut être exploitée pour différents types d’applications.

1.5.1 Imagerie THz

Outre les bonnes propriétés de pénétration de ces rayonnements à travers différents matériaux (tissus, plastiques, papiers, certains matériaux de construction…), ces derniers présentent en outre l’intérêt d’être non ionisants. Ils permettent donc la mise en œuvre d’un nouveau type d’imageurs capables par exemple de détecter des armes d’emport ou des ceintures d’explosifs camouflés sous des vêtements ou cachés dans des bagages. Des perspectives intéressantes sont également identifiées dans le domaine du contrôle des procédés industriels avec par exemple le suivi de la qualité de fabrication des composants électroniques, ou des comprimés pharmaceutiques. Les enjeux scientifiques sur cette thématique reposent d’une part sur l’amélioration des performances des composants de base nécessaires à la réalisation des systèmes d’imagerie, notamment les détecteurs de lumière. Un effort important est également à mener dans le domaine de la spectroscopie THz pour comprendre de manière fine les propriétés d’interaction entre le rayonnement THz et la matière, et identifier les modes opératoires les plus prometteurs.

1.5.2 Imagerie X

Cette technique est déjà largement utilisée pour les applications médicales et de sécurité, mais de nouvelles perspectives ont été identifiées. Parmi les tendances principales, on peut notamment citer un intérêt particulier pour l’imagerie X multispectrale qui devrait permettre d’accéder à des informations considérablement enrichies. Il s’agit notamment de faire progresser les architectures d’instruments et les traitements de données associées pour aboutir à une capacité d’identification des matériaux. Par rapport aux dispositifs existants basés sur la détection de formes suspectes, cette approche permettrait notamment de détecter la présence de matériaux explosifs cachés dans des bagages. Par ailleurs, les nouvelles sources laser femtoseconde permettent d’imaginer une nouvelle génération de sources de rayons X qui soit simultanément i) compacte, ii) de haute brillance pour l’imagerie à très haut contraste et à très grande résolution spatiale, iii) ultracourte pour l’imagerie dans les domaines temporel et spectral avec résolution femtoseconde. Un effort important est à mener pour imaginer les architectures et développer les briques technologiques nécessaires à la réalisation de ces nouveaux instruments. Ces recherches permettront par exemple de faire progresser les techniques de tomographie X dynamique notamment au profit des sciences du vivant, ou pour la caractérisation 4D de matériaux et nanosystèmes.

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1.5.3 Imagerie Γ

Comme pour les sources de rayons X, les progrès réalisés dans le domaine des lasers à impulsions ultra-brèves présentent de nombreux avantages pour la génération de rayons Γ. En effet, l’utilisation d’impulsions brèves de forte puissance focalisées sur des matériaux appropriées permet d’obtenir des sources Γ offrant notamment une excellente brillance. Ces rayonnements hautement énergétiques possèdent un bon pouvoir de pénétration à travers la matière dense et cette technologie présente un intérêt pour des applications de radiographie haute résolution, permettant par exemple de détecter la présence de fissures à l’intérieur de pièces mécaniques épaisses. Les enjeux scientifiques s’orientent principalement autour de nouvelles architectures d’imageurs permettant de tirer un profit maximum des progrès technologiques au niveau des sources et détecteur

1.5.4 Communauté nationale

- La communauté nationale dans le domaine du THz est composée de nombreuses équipes de recherche : IMEP-LAHC, IEMN, CPMOH, IEF, GES, IES, MPQ, LPA, CHREA, LAAS, LPCA, PhLAM, FEMTO-ST, LERMA, LISIF, LSLP, LURE…

- Cette communauté s’est bien structurée autour du GDR 2897 qui s’est récemment étendu à l’international.

1.6 Nouvelles microscopies


La microscopie optique est la technique de référence pour l’observation de spécimens vivants, en 3D, éventuellement sur de longues périodes. Si son domaine de prédilection est la biologie, de nombreux travaux sont aussi actuellement menés en imagerie des solides ou des surfaces et en micro- et nanotechnologies. Le domaine de la microscopie optique a connu des bouleversements très importants ces dernières années, avec le développement des techniques non-linéaires grâce aux lasers ultrarapides (fluorescence multi-photon, génération de seconde ou troisième harmonique, microscopies Raman), et le couplage à l’électronique rapide et l’informatique (imagerie nD : spatiale, spectrale, en temps de vie, polarimétrique). On assiste donc actuellement à une convergence de nombreux domaines autour du microscope, qui n’est plus un instrument en lui-même, mais un générateur et un capteur d’informations qui sont distribuées vers des systèmes de détection toujours plus divers et des systèmes de traitement toujours plus évolués. La microscopie optique a longtemps été handicapée par sa résolution spatiale limitée (par rapport aux techniques de champs proches ou la microscopie électronique par exemple). Le problème a été essentiellement résolu en microscopie de fluorescence, par l’invention des techniques d’illumination structurée 2D ou 3D, et surtout par les techniques STED (STimulated Emission Depletion microscopy) et de superlocalisation (PALM/STORM/F-PALM), qui sont même déjà commercialisées ou en phase de commercialisation. Les techniques de microscopie sans marquage plus classiques (transmission, réflexion par exemple) restent cependant les plus répandues, mais ont fait l’objet de peu de développements récents en comparaison. Parmi les approches prometteuses, on peut noter la microholographie et les techniques de synthèse d’ouverture (tomographie diffractive) qui couplent un système de microscope nouveau (en lumière cohérente) à l’ordinateur pour une reconstruction numérique des images donnant accès à plus d’information : résolution améliorée, mesure de propriétés physiques du spécimen autres que simplement dimensionnelles, et qui devraient avoir des retombées positives pour tous les domaines utilisant la microscopie optique. Les techniques non linéaires sont elles aussi appelées à de forts développements, et pour les mêmes raisons : un phénomène physique différent est utilisé pour acquérir une information inaccessible par les systèmes plus classiques.

1.6.2 Principales conférences internationales du domaine

Focus on Microscopy, Novel Techniques in Microscopy, European Conference on Biomedical Optics, Biomedical Optics and 3-D Imaging, Photonics Europe, Photonics East/West

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1.6.3 Structuration de la communauté française

En France, le GdR2588 Microscopie Fonctionnelle du Vivant coordonne les laboratoires développant ou utilisant les techniques de microscopie optique (au moins dans le domaine de la biologie), et vise aussi à fédérer les partenaires industriels. Il conviendrait sans doute de consolider à l’avenir la position des laboratoires français, dont certains possèdent un réel savoir-faire, voire une réelle avance dans ce domaine. On peut citer (de manière non exhaustive et par ordre alphabétique) : les ENS Lyon et Paris, l’Ecole Polytechnique, l’ESPCI, l’Institut Fresnel, l’Institut d’Optique, l’Institut Pasteur, l’Université de Bordeaux, l’Université de Grenoble, l’Université de Haute-Alsace, l’Université d’Orsay, l’Université de Strasbourg, qui développent de nouveaux systèmes de microscopie optique. Notons enfin que si la France ne compte pas (plus) de fabricant majeur dans ce domaine, plusieurs de ses industriels y sont actifs : fabricants de sources laser, de détecteurs, d’optique adaptative, de sous-ensembles optiques ou opto-mécaniques.

1.7 Imagerie en champ proche


Il existe aujourd'hui deux grandes familles de SNOM (Scanning Near Field Optical Microscopy) qui diffèrent essentiellement sur le type de sonde utilisée. On distingue les SNOM à sonde à ouverture optique et les SNOM à sonde sans ouverture optique. Dans le premier cas, la sonde est typiquement une fibre optique effilée métallisée pouvant jouer le rôle de nano-source ou celui de nano-détecteur ; dans le deuxième cas, une sonde en matériau massif (diélectrique, semi-conductrice de type AFM ou métallique) joue le rôle d'un nano-objet transformant par diffusion les ondes évanescentes du champ proche de l'échantillon en ondes propagatives pouvant alors être détectées classiquement en champ lointain par un objectif de microscope. Le SNOM, à son origine, a surtout été pressenti comme un instrument qui permettrait l'observation par voie optique, au sens de l'imagerie, des surfaces avec une résolution bien inférieure à celle atteinte par la microscopie optique classique. En fait, il s'avère que c'est la spectroscopie locale des surfaces qui occupe aujourd'hui une place prépondérante au niveau des recherches dans ce domaine. En effet, les biologistes, les chimistes et les physiciens utilisent le SNOM comme outil permettant une spectroscopie locale des surfaces et plus généralement des matériaux. Depuis quelques années, la technique SNOM intéresse particulièrement 4 domaines : la plasmonique, l’analyse locale des composants d’optique guidée et intégrée, l’analyse chimique locale des matériaux par spectroscopie Raman et la détection du rayonnement thermique de la matière. Ces différents domaines d’étude ont récemment donné lieu à des développements instrumentaux spécifiques du SNOM dont nous proposons ci-dessous une description très succincte. Le SNOM à détection interférométrique hétérodyne repose sur l’utilisation d’une sonde diffusante de taille nanométrique dont le rayonnement est détecté par un système de microscopie classique. Le bruit de fond créé par les photons diffusés par l’échantillon et n’interagissant pas avec la sonde est éliminé par une technique de détection hétérodyne consistant à faire vibrer la sonde pour « marquer » temporellement les photons qu’elle détecte. Cette technique connaît un vif intérêt dans le domaine de la caractérisation optique de composants optiques intégrés. Le SNOM – TERS permet quant à lui de réaliser des mesures de diffusion Raman exaltée de surface (SERS : Surface Enhanced Raman Scattering) et ainsi de mener des analyses très locales par spectroscopie Raman de molécules uniques adsorbées sur une surface métallique. Une analyse Raman de molécule unique a ainsi pu être réalisée avec une résolution d’environ 15 à 20 nm. Enfin, le TRSTM est un SNOM à sonde diffusante basé sur la détection du rayonnement thermique de la matière. Il peut être appliqué à de nombreuses études mettant en jeu le rayonnement thermique comme par exemple l’étude des transferts de chaleur dans les circuits électroniques, l’imagerie de la propagation des ondes de surface dans des guides d'ondes ou l’étude des nano-antennes,… Durant ces 10 dernières années, nous avons vu apparaître de nouvelles configurations de microscopes optiques à sonde locale adaptée à l’étude de phénomènes ou d’objets particuliers à des échelles sub-longueur d’onde. Il est certain que de nouvelles configurations très spécifiques verront encore le jour dans les années à venir. Ce qui est toutefois remarquable, c’est de constater qu’après 25 années de recherche et indépendamment du type de configuration, le problème majeur auquel les

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utilisateurs sont toujours confrontés se situe essentiellement au niveau de la maîtrise de la sonde en termes de forme, de dimensions, de reproductibilité. Dans ces conditions, il est compliqué de travailler sur des aspects importants tels que le diagramme de rayonnement ou encore les effets de polarisation à l’apex de la sonde, aspects faisant actuellement toujours l’objet d’interrogations. Le contrôle à l’échelle nanométrique de la fabrication de sonde ayant des morphologies facilement modélisables (une nano sphère en extrémité de nano cylindre par exemple) permettrait de mieux comprendre l’interaction sonde échantillon et de mieux confronter les résultats expérimentaux et les résultats d’une simulation appliquée à un type de sonde plus « facile » à modéliser. Les travaux de plus en plus nombreux réalisés sur des sondes spécifiques jouant le rôle de nano antennes optiques permettront des avancées significatives d’autant plus que certaines géométries d’antenne pourront être optimisées en fonction des moyens de nanofabrication disponibles actuellement et qui ne cessent de progresser.


- Workshops organisés par le GDR « Ondes », le groupe thématique 5 étant consacré au champ proche en général

- Sessions dans le cadre de journées scientifiques organisées par le club Nano-MicroTechnologie - Forum des microscopies à sonde locale (chaque année)


- Tous les 18 mois, un congrès international spécifique à ce domaine est organisé (NFO : International Conference on Near Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques)

- SPP : International Conference on Surface Plasmon Polariton - META : International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics Dans SPP et META, les techniques de microscopie optique à sonde locale sont présentes essentiellement en tant que moyen de caractérisation de nanostructures ou d’étude de divers phénomènes optiques à l’échelle sub-longueur d’onde.

1.7.4 Position de la France dans le contexte international

La France, à partir de 1987, à travers les équipes de l’Université de Dijon et de Besançon ainsi que de l’ESPCI de Paris a été internationalement visible et très présente en microscopie optique en champ proche. Depuis sur le plan scientifique, les équipes françaises travaillant sur le sujet se sont élargies et jouent un rôle toujours prépondérant au sein de la communauté. Toutefois, on peut regretter une nouvelle fois, que sur l’aspect instrumentation, nous n’avons pas été très performants sur le plan valorisation et transfert de technologie.


- Structuration et animation de la communauté : GDR «Ondes / GT5 et GT2» - Communauté académique française : FEMTO ST Besançon - Institut d’Optique Palaiseau -

Institut Carnot de Bourgogne Dijon - Institut Louis Néel Grenoble - IES Montpellier - INL Lyon – INSP Paris - LCPE Nancy - LAC Orsay – LETI CEA Grenoble – CEA saclay – ESRF – IEF Paris Sud 11 Orsay – CLIO – Lure Paris Sud Orsay - LPMC et LPICM / Ecole Polytechnique Palaiseau - ESCPI Paris - ICD / LNIO Troyes - CEMES Toulouse - Nanoptec Lyon - ….

1.8 Imagerie dans les milieux diffusants


L’imagerie optique des milieux diffusants couvre plusieurs domaines : imagerie biomédicale, imagerie en matière molle (mousses, poudres, colloïdes), imagerie à travers des brouillards, fumées ou atmosphères turbulentes, astrophysique (nuages interstellaires). L’imagerie optique biomédicale est le domaine le plus actif actuellement en termes d’applications, et nous allons en décrire les tendances fortes. L’utilisation de modulateurs spatiaux de lumière (SLM en anglais) permet le contrôle de la phase, de l’amplitude et de la polarisation à l’échelle du grain de speckle, sur un grand nombre (106) de modes

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en parallèle. Ceci ouvre des possibilités nouvelles en termes d’imagerie (exemple : focalisation optique dans un grain de speckle à travers un milieu diffusant démontrée en 2007). Il est envisageable d’adresser optiquement des marqueurs dans un milieu diffusant (par exemple fluorophores ou nanoparticules à réponse non linéaire) en focalisant spatialement et temporellement de manière contrôlée, en régime de diffusion multiple. On peut attendre la transposition à l’optique de techniques développées dans d’autres disciplines (retournement temporel en acoustique, contrôle cohérent en optique quantique), qui ouvrent la voie à de nouvelles approches pour l’imagerie. En régime de faible diffusion, les techniques établies sont issues d’une approche « microscopie » (microscopie non linéaire, OCT). En régime de diffusion multiple, la brique de base est la tomographie optique en lumière diffuse. Dans ces deux branches, on peut dire que la tendance est à l’optimisation des techniques, pour repousser au maximum les limites qui sont bien établies. Une rupture apparaît lorsque l’on considère le problème de l’imagerie sous un autre angle : celui de la localisation d’une source ou d’un diffuseur unique. Les techniques de type PALM ou STORM (reposant sur une activation photochimique de fluorophores) ont bouleversé récemment le domaine de l’imagerie d’échantillons peu diffusants. On peut attendre l’extension de ces idées aux systèmes fortement diffusants, grâce à la possibilité d’exciter individuellement un émetteur ou diffuseur unique (fluorophore, nano-objet à réponse non linéaire, nanoparticule métallique) même en régime de diffusion multiple. Il faut noter également que la localisation de sources en milieux diffusants s’appuie en général sur des techniques de traitement de signal et de reconstruction inverses. Ce domaine, à cheval entre la physique et les mathématiques appliquées, est très actif, notamment en France. Les synergies sont certainement à favoriser car le développement instrumental est souvent mené indépendamment.

1.8.2 Communauté française

- Active aussi bien sur le plan théorique (physique et mathématiques appliquées) que sur le plan du développement instrumental

- GDR « MésoImage », GDR Ondes, GDR ISIS. A noter : groupe thématique commun aux deux GDR Ondes et ISIS et nouveau groupe thématique « Ondes et imagerie en milieux complexes et biologiques » proposé dans le GDR Ondes

- Emergence de start-ups ou PME : Biospace, QUIDD (imagerie moléculaire in vivo), LLTECH (OCT).

- Organismes de recherche et industriels actifs dans ce domaine (exemples) : ONERA (contrôle de front d’onde en forte turbulence), THALES (détection de cibles en milieux désordonnés), CEA (imagerie biomédicale au LETI)

- Réunions scientifiques établies et en croissance de participation: Journées d’Imagerie Optique Non Conventionnelle (GDR ISIS et Ondes), Groupe Optique et Sciences du Vivant (SFO), OptDiag. Typiquement 200 participants sur 2 journées pour chaque réunion.

1.8.3 Conférences internationales

Au-delà des grandes conférences sur l’optique biomédicale (mentionnée ailleurs dans le rapport), citons : - PIERS avec systématiquement plusieurs sessions sur le sujet de l’optique et de

l’électromagnétisme en milieux diffusants - CLEO/QELS aux USA et CLEO Europe à Munich - Topical Meeting de l’OSA (le sujet est parfois couplé avec les métamatériaux ou la plasmonique).

1.9 Co-conception et détection compressive : vers une unification encore plus étroite de l’imagerie et du traitement du signal.


Les capteurs d’image sont en général conçus pour mesurer une grandeur physique avec la meilleure résolution et la plus grande précision possibles. Dans les imageurs modernes, de nombreux traitements numériques sont déjà intégrés mais ils sont souvent conçus indépendamment du système d’imagerie et doivent s’adapter à ses caractéristiques. Or il y a intérêt à mener la conception du capteur et du traitement de manière conjointe (on appelle cela « co-conception »). Cela permet de

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prendre en compte le traitement du signal dans l’évaluation de la performance globale du capteur afin de relaxer les contraintes sur la taille ou la qualité de l’optique. Par exemple, dans de nombreuses applications, on cherche aujourd’hui à faire des optiques les plus « plates » possibles, ce qui nécessite de modifier et de simplifier les combinaisons optiques. On peut y insérer des masques de phase ou concevoir des architectures originales permettant de faire de l’imagerie grand champ ou multispectrale tout en respectant des contraintes sévères de compacité. Cela se fait en général au détriment de la qualité d’image, et il est nécessaire de mettre en œuvre des traitements numériques qui compensent cette dégradation et interviennent donc dans le bilan de qualité global du système. C’est une problématique très importante dans la conception des optiques pour téléphones portables, où les aspects d’encombrement et de coût sont cruciaux, et plus généralement dans tous les capteurs embarqués. Il s’est développé récemment une approche encore plus radicale qui part du constat que les images fournies par les capteurs sont en général très redondantes par rapport à l’usage final qui en est fait. Par exemple, les images vidéo sont souvent comprimées à des taux très importants sans perte de qualité perceptible par l’œil humain. L’idée est donc de n’acquérir dès le départ que l’information strictement nécessaire afin de simplifier les capteurs et d’utiliser de manière « optimale » les photons provenant de la scène. Une approche théorique de ces concepts, concernant en particulier les algorithmes de reconstruction de l’image à partir des acquisitions, a été développée dans la communauté du traitement du signal. Elle porte le nom générique de « compressive sensing » (détection compressive) ou « computational imaging » (imagerie par le calcul). Par exemple, un concept de caméra à un seul pixel a été proposé et implémenté. Il consiste à mesurer l’intensité lumineuse totale réfléchie par une scène illuminée par des distributions de lumière différentes (générées à l’aide de modulateurs spatiaux de lumière) et à reconstruire numériquement l’image à partir de ces mesures. Ces développements démontrent clairement qu’aujourd’hui, l’imagerie doit être vue comme un problème de traitement de l’information où le capteur et l’ordinateur qui traite les mesures jouent des rôles complémentaires et tous deux essentiels. Les deux communautés du traitement du signal et de la photonique ont donc tout à gagner dans un dialogue actif sur ces questions.


Outre les conférences dans le domaine du traitement d’images, qui sont plutôt orientées vers les mathématiques appliquées, les sociétés savantes américaines en photonique ont bien compris l’importance du domaine. On peut mentionner en particulier le topical meeting COSI (Computational optical sensing and imaging) de l’OSA, dont le programme 2009 donne une bonne idée des thématiques actuelles. On peut noter aussi la conference “Computational imaging” (qui en est à sa 7° edition) au symposium Electronic Imaging science and technology (IS&T/SPIE) et le workshop WIO (Workshop on information optics), organisé tous les deux ans en France.

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2 . L’OPTIQUE ET LE BIOMEDICAL

2.1 Périmètre

Le but de ce texte court n’est pas de faire un point exhaustif sur l’usage de l’optique dans le biomédical. En effet pour éviter de faire du copier-coller nous préférons citer quelques défis récents et renvoyer aux documentations plus détaillées (même s’il faut parfois une nécessaire mise à jour) que l’on peut trouver dans :

• Le rapport de conjoncture du CNRS (article sur l’imagerie Claude Boccara et Line Garnéro), qui contient des informations sur l’ensemble des méthodes d’imagerie et permet de situer l’imagerie optique par rapport aux méthodes concurrentes

• Le chapitre consacré au biomédical, rapport sur l’Optique du ministère de la recherche (Claude Boccara et J.L Martin).

• Le document d’Optics Valley sur la biophotonique qui est très complet avec une bonne indication des tendances et des données quantitatives sur les marchés.

Le but des notes qui suivent ici est principalement :

• D’une part de revisiter certains aspects du domaine de l’optique biomédicale à la lumière des développements instrumentaux et conceptuels nouveaux.

• D’autre part de concentrer les recherches sur d’éventuels nouveaux besoins de la biologie et de la médecine.

La présentation est, nous l’avons dit, loin d’être exhaustive, elle a simplement pour but de donner quelques exemples que nous espérons pertinents et représentatifs. Bien sûr cela sera fait de façon biaisée très influencée par les recherches que vit actuellement la communauté. Il peut être instructif pour évaluer cette communauté au niveau international de se reporter aux programmes des « gros » congrès comme « Biomedical Optics » Photonics West à San Jose ou San Francisco Californie, USA (annuel 2ème quinzaine de janvier) Notons, pour commencer, que les problèmes et les cultures sont très différents en biologie et en médecine.

• En biologie, les acteurs sont ouverts à toutes méthodes sophistiquées qui pourraient leur donner accès à des paramètres nouveaux. Les laboratoires de biologie ont dans leurs équipes des chercheurs en optique dont les recherches se situent au meilleur niveau international. Ces laboratoires (EMBL, Université de San Francisco, Max Planck etc…) sont par exemple à l’origine de plusieurs approches de « super résolution » en champ lointain.

• En médecine, à l’hôpital, les physiciens sont souvent cantonnés dans des rôles très techniques. De plus tout doit se faire en étroit contact avec le monde médical, il y a des protocoles cliniques et les équipes de nos laboratoires de recherche doivent trouver quelques « niches » stratégiquement porteuses ou viser très haut car on est en concurrence avec des sociétés qui emploient plusieurs centaines de personnes et il faut alors un réel « breakthrough » pour s’imposer.

2.2 Biologie

Ici small is beautiful et les problèmes à résoudre nous conduisent à l’imagerie ou l’analyse de phénomènes qui se passent à une échelle nanométrique. On voit plusieurs approches souvent très pluridisciplinaires qui visent à réaliser de la super-résolution en champ lointain (c'est-à-dire loin de l’échantillon, sans sondes locales) et en 3D.

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Figure 1 : Images de micro tubules en microscopie confocale et super résolues en STED (Stefan Hell

Marx Planck : http://www.mpibpc.mpg.de/groups/hell/)

C’est un domaine très compétitif par le niveau des publications relatives à ces nouvelles microscopies sur lequel certains groupes (USA, Allemagne) travaillent depuis une dizaine d’années. Cependant un réel problème d’optique est lié à l’hétérogénéité des formes ou des indices à l’échelle cellulaire qui distord le front d’onde pour les ouvertures importantes des objectifs de microscope utilisés. L’optique adaptative pourrait être revisitée à cette occasion (optique, prise de signal, traitement, asservissement etc.). En plus de l’instrumentation et du traitement des signaux et des images, souvent la physicochimie (de molécules photostimulables par exemple) joue un rôle capital en microscopie.

Figure 2 : Image de la rétine sans et avec correction du Front d’onde (François Lacombe Observatoire

de Paris : http://www.lesia.obspm.fr/astro/optada/OEIL/pages/accueil.html)

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Si l’observation en profondeur (quelques cm) est délicate l’optique peut offrir des outils utiles (confocal, OCT, multiphotonique etc.) pour le malade (risques de ré opération), le médecin (pour le temps passé sur chaque patient), et les organismes d’assurance santé (le coût d’une ré opération qui représente 10 à 40% des cas est de plusieurs milliers d’euros) en réalisant une analyse rapide en salle d’opération : invasion du ganglion sentinelles, contrôle des marges etc. Dans l’exploration des organes internes un défi pour l’endoscopie est aujourd’hui clairement posé : si on disposait d’un guide d’images de moins de 300µm on pourrait accéder à toutes les zones du corps humain ! Aujourd’hui il y a des faisceaux de 50 000 fibres qui tiennent dans un diamètre de moins d’un mm et on sait également faire des lentilles à gradient d’indice, là aussi, de moins d’un mm de diamètre qui peuvent leur être attachées. On pourrait penser que la technologie est quasi prête : en fait le plus dur sera sans doute de passer tous les obstacles pour prouver que la méthode est sans danger, utile et de la faire accepter en Europe, puis par la FDA etc. On sait que la tomographie optique des organes a fait des progrès lents mais significatifs : le but est ici de révéler des contrastes optiques (absorption ou diffusion) dans la profondeur des tissus du corps humain pour explorer des organes comme le sein. Cependant depuis plus de 15 ans elle n’a pas contribué à apporter un diagnostic nouveau qui échappait à d’autres approches. Il nous faut revisiter ces approches. Pourrait-on introduire une nano-source par des fibres qui par conjugaison de phase ou autres contrôles de faisceaux permettrait d’imposer des trajectoires aux photons diffusés par les tissus ? Pour ce qui est des recherches à court et moyen terme le couplage optique-acoustique (photo-acoustique et acousto-optique) permet de révéler les propriétés optiques locales avec la résolution de l’acoustique à plusieurs cm de profondeur, de très importants progrès ont été accomplis sur des modèles animaux, ou dans le domaine de la dermatologie mais encore au niveau de la recherche clinique. Le contrôle en amplitude, phase ou polarisation de faisceaux laser sur un million de pixels est aujourd’hui possible, il est donc temps d’apprendre à travailler avec ces outils pour traverser à volonté les chemins tortueux que pourrait prendre la lumière dans le corps humain. On sait en effet que la longueur de corrélation du speckle dans un milieu multi diffusant est la demi longueur d’onde, aussi dès que l’on disposera de matrices à cristaux liquides permettant le contrôle de quelques centaines de millions de modes, on pourra contrôler la traversée d’un organe, comme le sein, par la lumière. Une telle approche pourrait aider la reconstruction des trajectoires pour l’imagerie mais aussi à rendre la photothérapie beaucoup plus efficace, par exemple en maximisant des signaux de fluorescence associés aux molécules actives. Une niche importante et propice pour l’optique se situe dans le cadre de la bioanalyse (biopuces). L’optique se couple particulièrement bien à tout ce qui est lab-on-chip et plusieurs sociétés ont pu démarrer avec des produits innovants réalisables avec peu de moyens. Il faut s’engager avec prudence dans cette voie où tout ce qui concerne la protection industrielle est fortement verrouillé. Cependant des idées originales on été proposées comme le guidage de la lumière et des fluides au sein des mêmes canaux ou l’utilisation de la plasmonique avec ou sans sondes fluorescentes.

2.3.2 La Thérapie

Le gros marché du laser en dermatologie est, on le sait, l’épilation. Cette approche reste très simpliste et conduit souvent à des réactions violentes : fortes irritations, brûlures. Le contrôle intelligent avec rétroaction représente un véritable enjeu en terme de marché. A côté du succès spectaculaire du bistouri laser femtoseconde pour la chirurgie oculaire, le laser joue un rôle important pour la réparation du vivant par exemple en accélérant les cicatrisations ou pour la thérapie photodynamique (destruction de tumeurs). Là encore le couplage avec les chimistes et les biologistes est absolument nécessaire. Cependant peu de molécules sont autorisées et le processus de validation (type FDA) est aussi long que celui qu’il faut pour introduire un médicament sur le marché.

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Enfin dans ce domaine le couplage optique-acoustique s’avère prometteur : la thérapie par ultrason (HIFU) pourrait facilement être guidée par des agents de contraste optiques source de signaux photo-acoustiques.

2.3.3 L’Optique Biomédicale et les Centrales

Peut-être serait-il bon de renvoyer l’ensemble des rapports sur la photonique, comme le présent texte, pour que les responsables de ces centrales fassent état du savoir et du savoir-faire qui serait susceptible de créer une fertilisation croisée avec le domaine de la photonique : par exemple sur l’intégration des jonctions Josephson ou sur les manipulateurs de fronts d’onde gigapixels etc. A côté de ces visées qui restent encore exotiques, certains objectifs de l’optique biomédicale se recoupent clairement avec les centrales de nanofabrication : lab-on-chip, modulateurs spatiaux, circuiterie CMOS, microcomposants, etc.

2.3.4 L’Optique biomédicale en France

Il est assez difficile d’être exhaustif et, comme nous l’avons souligné plus haut, les laboratoires de biologie possèdent souvent un savoir et un savoir faire qui les placent au meilleur niveau de la compétition internationale mais ils n’ont pas la photonique comme thème central.

• Pour la microscopie « dans tout ses états » citons à titre d’exemples : Le CPMOH (Bordeaux), l’Institut Fresnel (Marseille), l’Université de Mulhouse, le LOB (X,Palaiseau), l’Institut Langevin (ESPCI, Paris), les ENS (Paris et Cachan), l’Université Paris V, Spectrométrie Physique (Grenoble), l’Institut d’Optique (Palaiseau), l’ENSTA (Palaiseau)., l’Institut Curie (Paris)

• Pour l’imagerie des tissus : Le laboratoire des lasers (Villetaneuse), l’Institut Fresnel (Marseille), l’Institut Langevin (ESPCI, Paris),

Les communautés se retrouvent souvent autour de GDR comme :

• Microscopie (piloté par les biologistes) • IMCODE (Ex PRIMA Ex POAN) • ONDES avec en particulier le champ proche, la super résolution et les problèmes inverses

2.3.5 Quelques exemples de congrès

Au niveau français citons : • OPTIAG (tous les 2 ans) • IMVIE • Le congrès de la SFO • La suite colloques sur les nouvelles méthodes d’imagerie. • Les colloques de la Société Française des lasers médicaux

Au niveau Européen :

• SPIE Munich (tous les 2 ans en juin) • Photons(UK)

Au niveau International :

• Biomedical Optics Photonics West (tous les ans en janvier : prés de 1000 participants et une exposition de matériel dédié)

• Focus on microscopy • Gordon conference Lasers in medicine and biology • From Bench to Bedside (tous les 2 ans au NIH Bethesda : scientifique + politique de

recherche par les grands organismes)

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3 . SPECTRO-ANALYSE

3.1 Spectromètre optique intégré

3.1.1 Périmètre

La mesure spectroscopique optique d’espèces biologiques et chimiques variées suscite le développement de nombreux systèmes de détection dans de multiples domaines en raison du vaste champ d’applications concernées. A titre d’exemple, citons :

• le domaine scientifique, pour les mesures spectroscopiques optiques sur un spectre de longueur d’onde allant de l’UV à l’infrarouge lointain,

• le domaine industriel, pour la détection de fuites ou le dosage de certaines substances, • le domaine biomédical, pour accélérer les analyses et faciliter le diagnostic, pour le suivi de

patients à domicile, • le domaine de la défense, pour la reconnaissance d'attaques chimiques ou biologiques, • le domaine environnemental (qualité de l’air, de l’eau,…), pour détecter la présence de

polluants dans des systèmes complexes (gaz, métaux lourds, etc.) tels que les réseaux d’eau potable et les usines de stockage ou de recyclage des déchets,

• les agro-ressources – l’agro-alimentaire, • la pétro-chimie, • etc…

Parmi l’ensemble des techniques et capteurs existant, les capteurs optiques intégrés peuvent apporter de nombreux avantages notamment en termes de coût et de compacité. En revanche, ces derniers n’offrent pas, jusqu’à aujourd’hui, une fonction spectroscopique générale qui augmenterait leur performance en permettant non seulement la détection mais aussi une meilleure identification des espèces en présence. Grâce aux développements récents des nouvelles technologies, des concepts de spectroscopie optique miniaturisée très intéressants ont vu le jour ces dernières années. Nous listerons ci-après les micro-spectromètres dont nous avons connaissance. Nous distinguerons trois familles de spectromètres basés, pour la plupart d'entre eux, sur les principes classiques de la spectrométrie.

3.1.2 Réseaux de diffraction

C'est avec l'apparition des cristaux photoniques que l'on obtient des résultats très prometteurs mais qui restent cantonnés dans le seul domaine des fréquences télécoms (Super-prismes). De la même façon, il y a eu un gros investissement dans les AWG (Arrayed WaveGuides) proposés en 1988. Malgré des développements très lourds, ils sont restés dans le même domaine des télécoms. Des résultats intéressants sont obtenus avec des réseaux alimentés par la tranche mais ils font encore appel à une optique relais pour projeter le spectre sur le détecteur. Citons enfin tous les spectromètres développés actuellement par Ocean Optics qui se distinguent par un packaging astucieux mais sans atteindre de haute résolution spectrale et sans être intégrés.

3.1.3 Spectromètres de Fourier

Ce sont les plus avancés dans le domaine de la miniaturisation. Plusieurs propositions on été faites : spectromètre avec un balayage opéré par une combinaison électrostatique avec une résolution modeste, mais suffisante pour faire une première génération commercialisée (http://www.arcoptix.com/arcspectro-nir.htm), spectromètres statiques plus résolvants mais agissant dans un domaine spectral plus étroit limité à la longueur d'une barrette de CCD. Un micro spectromètre de Fourier (appelé le « microspoc ») est composé d'un prisme collé à la surface d'un détecteur ; il reste toutefois limité en résolution spectrale. Un premier spectromètre de Lippmann avec un détecteur mobile semi-transparent situé devant un miroir permettant une grande intégration mais avec une résolution spectrale faible a également été proposé.

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3.1.4 Fabry-Pérot et filtrage optique

De nombreuses propositions basées sur des MEMS se heurtent à deux limitations fondamentales : la non simultanéité de l'acquisition et un rendement d’énergie médiocre inversement proportionnel à la finesse du spectromètre. Ces systèmes sont limités à des utilisations très spécifiques.

3.1.5 Défis – Enjeux

Plus récemment, a pu être validée la faisabilité d’une nouvelle famille de micro-capteurs optiques spectroscopiques originaux, efficaces et performants, directement intégrables sur des puces optiques grâce à des procédés de la micro/nanoélectronique. Dans sa version la plus simple, le spectromètre est réalisé en échantillonnant à l’aide d’éléments diffusants l’interférogramme optique obtenu par réflexion en extrémité d’un guide d’onde. La transformée de Fourier du spectre lumineux est ainsi enregistrée de manière statique (sans pièce mobile) dans un domaine de longueur d’ondes donné. Les premiers prototypes pourraient présenter une sensibilité supérieure à un spectrographe de type échelle avec une résolution spectrale comparable. Les applications envisagées sont celles de la spectroscopie classique, de la spectroscopie embarquée et des capteurs optiques biologiques/chimiques en bénéficiant des avantages et fonctionnalités de l’optique intégrée : faible coût, miniaturisation, besoins énergétiques réduits. Cette nouvelle génération de spectromètres optiques intégrés à transformée de Fourier offre potentiellement la possibilité de répondre aux applications listées précédemment. Toutefois, de nombreux développements technologiques sont à lancer afin de permettre à ces futurs systèmes d’analyse et de diagnostic d’offrir les performances attendues. De plus, leur mise en réseau associée à un système d’interrogation sans fil devrait permettre leur déploiement en nombre suffisant sur des superficies d’envergure, permettant ainsi d’élargir leur spectre d’applications. En conclusion, face à une demande croissante d’outils performants de métrologie pour l’analyse et le diagnostic optiques tels que les spectromètres, le principal défi technologique et scientifique est donc la miniaturisation qui permettra de répondre à des besoins très nombreux relevant de domaines allant de la sécurité civile au contrôle de procédé industriel (usine, plateforme pétrochimique,…) en passant par l’environnement (analyse de gaz, suivi de polluants) et le médical (suivi de traceur en temps in-vivo,…). Dans le futur, seule l'optique intégrée assistée par les avancées scientifiques dans le domaine des nanotechnologies permet d'envisager une miniaturisation suffisante pour ouvrir la voie vers le développement par exemple de matrices de spectromètres comme il existe aujourd'hui des matrices de CCD, ou encore d'intégrer une véritable fonction de détection spectrométrique dans un micro-système de capteur optique intégré.

3.1.6 Les principaux programmes de recherche – Les manifestations nationales et internationales

• Programmes nationaux : ANR : AAP P2N et blanc

• Evènements nationaux : Journées Nationales de l’Optique guidée (JNOG) Horizons de l’Optique

• Evénements internationaux : Conférence OPTO Photonic West ECIO : European Conference on Integrated Optics CLEO : Conference on lasers and Electro-Optics ECOC : European Conference on Optical Communication ICSO : International Conference on Space Optics

3.1.7 Les acteurs français du domaine

• Acteurs académiques nationaux En optique intégrée appliquée à la spectroscopie : Les principaux (liste non exhaustive ) : IMEP - LETI – FEMTO – XLIM – LAAS – FOTON – Institut Fresnel – LCFIO – IEF – INL – LPN - ….

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• Quelques acteurs industriels dans le domaine de la spectrométrie optique :

Jobin Yvon/ Horiba - LTB Berlin - LLA Sopra - etc…

3.2 Applications à l’atmosphère d’impulsions ultra-brèves

3.2.1 Périmètre

La propagation d’impulsions laser ultrabrèves dans l’air conduit à l’auto-focalisation du faisceau, puis à la génération de filaments auto-guidés, ionisés continûment Ces filaments génèrent un large continuum qui s’étend de l’infrarouge à l’ultraviolet et fournissent un canal conducteur pouvant atteindre quelques centaines de mètres de longueur, avec une densité d’électrons de l’ordre de 1015 électrons/cm3. De plus, les filaments peuvent être générés à une distance de quelques kilomètres de la source laser, se propager à travers des nuages ou une atmosphère turbulente, et contrôler des décharges de haute tension, même sous la pluie. L’ensemble de ces propriétés fait des impulsions laser ultra-brèves un candidat prometteur pour les applications atmosphériques, notamment à l’analyse à distance. Les applications atmosphériques reposent sur trois propriétés des filaments :

• le large spectre de continuum généré, propice à la télédétection Lidar multi-spectrale, multi-espèces ;

• leur capacité à délivrer à distance de fortes intensités, au-delà de la limite de diffraction, qui est propice à l’excitation à distance d’effets non-linéaires. On peut citer notamment le Lidar non-linéaire, l’excitation de seconde harmonique dans des gouttelettes d’eau chargées pour mesurer leur charge, ou le LIBS à distance excité par des filaments ;

• leur capacité à ioniser l’air, propice au déclenchement et au guidage de décharges électriques, voire de la foudre (et donc potentiellement l’analyse à distance du champ électrique local dans les nuages). L’ionisation pourrait aussi fournir des noyaux de nucléation permettant la condensation d e gouttelettes d’eau, et donc fournir un senseur d’humidité.

La communauté de la filamentation laser regroupe 20 à 30 groupes dans le monde, dont une moitié environ en Europe qui est en position de leader, notamment avec le programme franco-germano-suisse Téramobile. Au sein de la communauté, 5 à 10 groupes s’intéressent à divers titres aux applications atmosphériques.


La physique de la filamentation est aujourd’hui relativement bien comprise, au moins pour ce qui est des impulsions de quelques millijoules. Au-delà, plusieurs filaments sont formés dans le faisceau : les interactions entre eux sont aujourd’hui encore un objet d’étude. Les défis à ce jour concernent :

• l’optimisation de la filamentation en fonction des objectifs d’application prévus : optimiser la largeur du spectre généré, son efficacité de conversion, la densité d’électrons à une distance donnée, ou moyennée sur un intervalle de distance, la durée de vie du plasma, etc. La lourdeur des codes de simulation de la filamentation, et leur difficulté à reproduire quantitativement les observations et notamment les densités de plasma obtenues, ne permet en effet pas aujourd’hui de réaliser des études paramétriques suffisamment fines pour fournir une réponse théorique à ces questions.

• l’opportunité d’utiliser des impulsions de très haute énergie (multi-Joules) pour générer des effets macroscopiques dans l’atmosphère

• les limites à l’application en vraie grandeur, et notamment la mobilité des systèmes femtoseconde, leur capacité à travailler en conditions de terrain, et la possibilité de développer la filamentation dans un régime compatible avec les normes de sécurité oculaire.


• Programme nationaux et internationaux : Aujourd’hui, les deux programmes principaux de recherche spécifiquement orientés vers l’analyse dans l’atmosphère grâce à des impulsions laser ultra-brèves sont :

- le programme Téramobile, actuellement en phase d’élaboration d’un Téramobile 2 visant à augmenter l’énergie par impulsion

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- le programme TNT (Terawatt and Terahertz) du DRDC-Valcartier à Québec

• Conférences nationales et internationales : - A l’échelle nationale : Coloq et les Journées des Phénomènes Ultrarapides. - A l’échelle internationale, le domaine est principalement structuré par la conférence « Filamentation », qui a lieu tous les deux ans. La prochaine aura lieu en Crète du 29 mai au 4 juin 2010. - Autres conférences internationales pertinentes : LPhys et ISUILS.


• Les laboratoires associés au Téramobile : Laboratoire d’Optique Appliquée (Palaiseau) et Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire (Villeurbanne), LASIM (Lyon)

• Les groupes de théorie, qui collaborent notamment avec les précédents : CEA-DAM (Bruyères le Châtel) et le Centre de Physique Théorique de l’école Polytechnique

• Le CELIA (Bordeaux) développe également des activités dans le domaine de la filamentation, sans que la visée atmosphérique ne soit une priorité.

3.3 LIBS : une technique émergente pour analyse élémentaire

3.3.1 Périmètre

LIBS est l’acronyme du terme en anglais, Laser-induced breakdown spectroscopy, qui désigne la technique appelée aussi, mais d’une manière moins fréquente, Laser-induced plasma spectroscopy (LIPS). Les quelques traductions en français peuvent être rencontrées : Spectroscopie de plasma induit par laser, ou Ablation laser couplée à la spectroscopie d’émission optique. Elle correspond à un type de spectroscopie d'émission atomique qui utilise une impulsion laser (de quelques dizaines à quelques centaines de mJ typiquement) comme moyen d’échantillonnage et source d'excitation. Le laser est focalisé sur l’échantillon pour former un plasma en pulvérisant par ablation laser une faible quantité de matière (du ng au µg). Le plasma transitoire émet, pendant son expansion et sur un intervalle de temps bien précis (quelques centaines de ns à quelques µs), une émission optique caractéristique des espèces, essentiellement ions, atomes et fragments moléculaires, constituant le plasma. La détection et l’analyse spectroscopique de cette émission permettent d’accéder à une analyse de l’échantillon, analyse toute fois essentiellement élémentaire. La découverte du processus de LIBS remonte aux années soixante peu après l’invention du laser. Longtemps restée une curiosité de laboratoire, elle attire une attention grandissante à partir de 1995. En effet, le nombre de publications consacrées à cette technique a dépassé à cette époque un seuil, et entamé une croissance exponentielle qui ne se faiblit en rien aujourd’hui. Il est généralement admis que la LIBS intègre quelques avantages par rapport à d’autres techniques analytiques élémentaires. Ses avantages spécifiques peuvent être présentés en deux catégories dus d’une part au mode d’échantillonnage et d’autre part à l’opération tout-optique de la technique. L’échantillonnage par ablation laser peut être appliqué à des matériaux en toutes les phases physiques qu’elles soient solide, liquides ou gazeuses. L’échantillon n’a pas besoin d’être spécifiquement préparé. L’ablation laser permet même d’effectuer le nettoyage de la surface avant l’analyse ou encore de réaliser des analyses en fonction de profondeur dans un matériau. La précision d’échantillonnage avec une impulsion laser fortement focalisée (à travers un microscope si nécessaire) offre une résolution spatiale qui peut atteindre l’ordre du µm. Des cartographies d’éléments peuvent être ainsi réalisées pour des échantillons inhomogènes. La petite quantité de masse prélevée par chaque tir laser permet de considérer la LIBS comme une technique analytique quasi non destructive. La nature tout-optique de la technique offre la possibilité d’interroger une cible localisée à distance sans contact matériel avec l’opérateur. Les transmissions de l’impulsion laser d’ablation et l’émission du plasma peuvent se faire à l’aide d’un système télescopique ou par des fibres optiques. Au-delà de ses avantages spécifiques, la LIBS partage quelques caractéristiques d’une technique basée sur la spectroscopie d’émission atomique, à savoir la capacité d’une analyse multi-élémentaire (en principe tous les éléments sont détectables par la LIBS), une réponse quasi-instantanée, et un équipement relativement léger et robuste.

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Comme pour toutes autres techniques analytiques, la LIBS souffre de quelques faiblesses, principalement liées à la fluctuation et à la non reproductibilité du plasma d’ablation. A l’heure actuelle, en tant qu’une technique analytique quantitative, elle permet une justesse assez limitée de l’ordre de 10% accompagnée d’une précision de l’ordre de 5%. Elle est en général considérée comme une technique à sensibilité modeste et offre une limite de détection dans la fourchette de 1 à 30 ppm, et peut être supérieure à 100 ppm pour des éléments difficile (P, As, …) ou inférieure à 1 ppm pour des éléments favorables (Mg, Fe, Cr, …). Le développement récent de la technique est notamment poussé par quelques projets phares des organismes tels que la NASA ou l’ESA qui intègrent la technique LIBS dans leurs projets d’exploitation de Mars. Des projets militaires stimulent également les développements des systèmes LIBS compacts ou destinés à la télédétection. En France, la recherche et le développement de la technique ont été traditionnellement concentrés autour de l’équipe dirigée par Patrick Mauchien au CEA Saclay. Cette équipe est rejointe depuis environ 5 ans par quelques autres équipes à profils et à compétences diverses. La notoriété de l’équipe à Saclay reste dominante avec leur participation au projet MSL (Mars Science Laboratory) de la NASA qui enverra un instrument LIBS sur la planète Mars en 2011.


L’enjeu majeur pour la LIBS dans les années qui viennent est d’arriver à un état de maturité et devenir une technique analytique reconnue et acceptée par les utilisateurs. Les défis sont encore nombreux pour y parvenir. Comme mentionné précédemment, les verrous pour accéder à une technique analytique à figure de mérite attractive sont liés au caractère fluctuant du plasma qui est de nature transitoire et inhomogène. Au niveau fondamental d’abord, le mécanisme du transfert de masse de l’échantillon ablaté vers le plasma, d’une part, doit être étudié en détail. Le but est de produire un plasma par une ablation stoechiométrique, ou à minima maîtriser le problème de fractionation. Nouveaux schémas d’ablation (double impulsions, différentes longueurs d’onde ou durées d’impulsion, microonde, …) peuvent être testés et optimisés. D’autre part, l’expansion du plasma et son interaction avec des gaz ambiants doivent être observées et étudiées avec les résolutions temporelle et spatiale, et en prenant en compte l’hétérogénéité compositionnelle du plasma. Le but est de localiser dans le temps et dans l’espace l’état du plasma le plus favorable à des fins analytiques. Les efforts de modélisation et de simulation sont également nécessaires pour comprendre les mécanismes et pour aller plus loin dans l’optimisation du processus. Au niveau d’application, il faut identifier et développer celles qui mettent en profit des avantages spécifiques de la technique. La LIBS n’a pas la vocation de supplanter d’autres techniques analytiques. Il est généralement admis que l’avenir de la LIBS réside dans sa capacité de répondre à des niches d’application pour lesquelles aucune autre technique ne pourra la concurrencer.


Au niveau international, les projets de recherche sur la technique LIBS les plus importants et les plus visibles sont liés aux programmes d’exploitation spatiale ou financés par les militaires, notamment l’Armée américaine. Quelques autres domaines d’application incitent aussi à développer des activités de recherche en LIBS. On peut citer les applications nucléaire (manipulation de matériaux radioactifs, analyse en réacteur), industrielle (métallurgie, recyclage des déchets), environnementale (sol, eau, aérosol), biomédicale (pharmacie, analyse médicale, bactéries), géologique, alimentaire, pour la police scientifique ou pour l’analyse du patrimoine culturel. Par contre, relativement peu de programmes de recherche sont spécifiquement consacrés aux aspects fondamentaux du plasma induit par laser dans le but d’améliorer la performance de la LIBS. La communauté d’ablation laser en général s’intéresse aux propriétés physico-chimiques du plasma induit par laser et met au point des moyens de diagnostic du plasma qui peut avoir des retombées importantes pour la LIBS. Depuis 2000, il y a une série de conférences internationales biannuelles consacrées à la technique. Cette série de conférences est complétée actuellement par deux séries de conférences également biannuelles, EMSLIBS et NASLIBS en années impaires qui s’affichent respectivement une connotation Européenne-Méditerranéenne et Nord Américaine.

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• Acteurs de la recherche publique : CEA Saclay, CPMOH Bordeaux, INERIS à Verneuil en Halatte), LP3 Marseille, DGA Paris, LASIM Lyon), G2R Nancy, LRMH Paris, CESR Toulouse. • Acteurs industriels : IIVEA et Bertin Technology proposent des équipements de LIBS.

3.4 Spectrométrie infrarouge avec laser à cascade quantique

3.4.1 Périmètre

Spécialité du GSMA, la spectrométrie laser permet d’atteindre de hautes précisions sur les mesures de concentration (de l’ordre du pourcent), de hautes résolutions temporelles (jusqu’à la milliseconde), une grande dynamique de mesure (de plusieurs ordres de grandeur) et une grande sélectivité dans la détection des espèces moléculaires grâce à un choix approprié des transitions moléculaires de rotation-vibration. Les diodes laser sont de très bons outils spectroscopiques de par leurs propriétés d’émission spectrale (mono-chromaticité, puissance de quelques milliwatts, accordabilité). Les lasers à cascade quantique (LCQ) permettent de couvrir la gamme du moyen infrarouge dans laquelle se situent les bandes d’absorption fondamentales des gaz. L’association de la spectrométrie moléculaire avec les LCQ permet donc aujourd’hui de proposer des appareils de très hautes performances et adaptés à différentes applications environnementales, médicales et industrielles. Les LCQ inventés par les chercheurs du Bell Labs dans les années 90 sont proches aujourd’hui de la maturité industrielle et commencent à être introduits dans des systèmes de deuxième génération. De nombreux laboratoires dans le monde travaillent sur ces types de laser mais l’état de l’art est aujourd’hui pleinement représenté par les travaux du groupe laser IR de Thalès. En particulier, ce groupe est l’un des seuls à produire des lasers fonctionnant en continu. La réalisation de ces lasers nécessite une maitrise au niveau du design de la structure laser, de l’élaboration du matériau et de la fabrication. Ces compétences toutes réunies au sein de Thalès sont rares dans un même laboratoire, expliquant la difficulté des laboratoires à atteindre des niveaux de performances élevés. D’un point de vue industriel, deux petites sociétés sont présentes sur le marché : Alpes Laser (Suisse) créée par l’un des étudiants de l’inventeur des QCL et qui fournit globalement la communauté scientifique et Nanoplus (Allemagne), qui a mis à son catalogue ce type de laser mais aujourd’hui n’a pas démontré des performances acceptables. Le GSMA est un laboratoire réunissant des équipes travaillant de la physique fondamentale à la physique plus appliquée notamment en détection de gaz pour les applications atmosphériques. L’association des LCQ à la spectrométrie moléculaire est une spécificité du laboratoire. Différents types de spectromètres ont été associés avec des LCQ depuis quelques années et ont fait l’objet de plus d’une quinzaine de publications dans des revues à comité de lecture : spectromètre d’absorption directe, spectromètre hétérodyne ou encore spectromètre photoacoustique.


L’environnement revêt une importance de plus en plus grande et est l’objet d’enjeux industriels et économiques cruciaux pour les dix prochaines années. Parmi la multitude d’axes dits « verts », comme les énergies renouvelables et les matériaux biodégradables, l’instrumentation et les systèmes de contrôle des gaz en relation avec l’activité industrielle sont un des secteurs les plus actifs et à forte croissance. Le marché de l’instrumentation (la mesure, l’analyse et le suivi des paramètres environnementaux, le contrôle des procédés industriels) englobe les marchés permanents de renouvellement, nouveaux polluants à surveiller, quotas d’émission à respecter, réglementations de plus en plus strictes nécessitant une métrologie de plus en plus fine. Ces marchés sont, en grande partie tirés par les réglementations de plus en plus strictes au niveau Européen et mondial. La spectrométrie moléculaire à base de lasers à cascade quantique permettra de répondre aux enjeux variés de ces différents domaines.

3.4.3 Les principaux programmes de recherche – Les manifestations nationales et internationales – les principaux acteurs français

• Programmes : AAP P2N et blanc de l’ANR • Principaux congrès internationaux dans le domaine :

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- International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy, TDLS Zermatt – Suisse en juillet 2009 - European Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO Europe Munich – Allemagne en juin 2009 - Conference on Field Laser Applications in Industry and Research, FLAIR Grainau – Allemagne en septembre 2009

• Acteurs français :

- En ce qui concerne la spectrométrie moléculaire au niveau français : GdR SpecMo du CNRS - En ce qui concerne la réalisation de lasers à cascade quantique au niveau français :

* III-V lab de Thalès-Alcatel – Palaiseau http://www.3-5lab.fr/ * Institut d’Electronique du Sud – Université de Montpellier

- L’équipe laser du GSMA est la seule équipe française à combiner les compétences en lasers à cascade quantique avec de très bonnes connaissances en physique moléculaire fondamentale.

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4 . MESURES EXTREMES

4.1 Périmètre

Cette section est dédiée à l’utilisation des techniques optiques pour la réalisation d’instruments de très haute performance, destinés à la caractérisation de différents types de paramètres physiques. Les propriétés de la lumière offrent en effet un potentiel gigantesque pour obtenir des niveaux de précision ou des sensibilités inégalés dans la mesure de ces différentes caractéristiques. Ainsi, des perspectives scientifiques très intéressantes sont identifiées dans le domaine des horloges de très grande précision, dans la métrologie des fréquences optiques ou des distances. Par ailleurs, le développement des techniques d’interférométrie à ondes de matière conduira à une nouvelle génération de gravimètres et gyromètres qui permettront de gagner plusieurs ordres de grandeur en sensibilité par rapport aux approches actuelles. Il convient également de citer les travaux en matière d’interféromètres optiques ultra-sensibles destinés à la détection des ondes gravitationnelles. L’impact sociétal de ces activités scientifiques se situe à plusieurs niveaux. On attend notamment de ces travaux un impact important dans le domaine de la physique fondamentale, et les prochaines générations d’instruments joueront un rôle essentiel pour la réalisation de différents tests qui permettront d’approfondir notre compréhension des lois physiques de l’univers (effet lense-Thirring, effet Shapiro, test du principe d’équivalence, caractérisation des ondes de gravitation, test de la loi de gravitation). Le domaine de la géophysique bénéficiera également de ces développements, notamment en matière de géodésie relativiste, via la caractérisation fine du champ de pesanteur et des fluctuations rapides de la rotation de la Terre. Des retombées importantes de ces recherches sont également attendues dans le domaine applicatif et il est clair que les performances de pointe rendues accessibles par ces recherches trouveront naturellement des débouchés dans différents secteurs. On peut par exemple citer le domaine de la radionavigation qui nécessite des références temporelles ultraprécises. Certaines applications de défense sont également susceptibles d’être concernées avec des besoins exprimés en terme de datation-synchronisation des systèmes d’information, ou en terme d’accéléromètres et de gyroscopes de très grande précision.

4.2 Métrologie des fréquences micro-ondes

L’utilisation de techniques avancées de la photonique est un élément clé dans la majorité des horloges micro-ondes de très haute performance. Les différentes possibilités existantes ou en cours de développement sont décrites ci-dessous.

4.2.1 Fontaines atomiques

A l’heure actuelle, les fontaines atomiques sont les horloges micro-ondes les plus performantes avec des exactitudes de quelques 10-16. Elles utilisent des méthodes de refroidissement d’atomes par laser (piège magnéto-optique, mélasse optique, lancement par la méthode de la mélasse mouvante) qui nécessitent des systèmes optoélectroniques complexes. Les fontaines atomiques sont désormais les principales contributrices à la réalisation de la seconde du système internationale. Pour ces systèmes et pour leur utilisation pour la physique fondamentale (test de stabilité des constantes fondamentales par exemple), la robustesse et la fiabilité du système optoélectronique est un point essentiel sur lequel de nombreux progrès seraient envisageables et utiles. On peut citer par exemple la réalisation de source lasers puissantes et fiables sur le long terme par divers moyens (fiabilisation de composants à semi-conducteurs existants, notamment les amplificateurs de type « tapered amplifiers », développement de systèmes basés sur le doublage de laser telecom), développement de fibres optiques polarisantes en utilisant par exemple les fibres à cristaux photoniques.

4.2.2 Horloges spatiales à atomes froids

La spatialisation d’une horloge à atomes froids (plus généralement d’un dispositif à atomes froids) constitue un défi technologique, notamment au niveau du système optoélectronique. Un des objectifs de la mission spatiale PHARAO/ACES est de démontrer qu’il est possible de spatialiser un tel système dans le cadre d’une mission de durée de quelques années à bord de la station spatiale internationale. Cependant, pour des missions scientifiques futures impliquant d’autres atomes (pour

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des horloges optiques ou micro-ondes), impliquant une durée de mission plus longue, dans un environnement plus dur du point de vu du rayonnement, il est clair que de nombreux développements concernant la spatialisation des systèmes optoélectroniques complexes restent à faire.

4.2.3 Horloges à piégeage cohérent de population

Une option permettant d’obtenir des systèmes beaucoup plus compacts et simplifiés consiste à utiliser le piégeage cohérent de population réalisé sur un gaz d’atomes chauds. On évite ainsi la complexité qui va de pair avec le refroidissement laser. Selon les performances et le volume recherché, des systèmes allant d’un volume de quelques cm3 et quelques dm3ont été développés avec en général, des stabilités allant de 10-11 à mieux que 10-12 à une seconde. Dans ce type d’horloge, le système laser peut se réduire à une seul diode laser modulée à la fréquence horloge ou la moitié de celle-ci, ou bien consister en deux diode lasers asservies en phase l’une sur l’autre. On notera que la méthode du piégeage cohérent de population ou ses variantes peuvent aussi servir pour des magnétomètres ou des gyromètres.

4.2.4 Horloges à atomes froids compactes

Pour atteindre des performances supérieures aux horloges à piégeage cohérent de population tout en gardant en gardant l’objectif d’embarquabilité et de spatialisation, des horloges utilisant les atomes froids dans une configuration plus compacte que les fontaines atomiques sont étudiées. Une première possibilité consiste à superposer la zone de refroidissement et la cavité micro-onde. En micro gravité, les atomes restent sur place, ce qui permet d’envisager des temps d’interrogation relativement longs et la réutilisation des atomes d’un cycle à l’autre afin de minimiser les temps morts. Une seconde possibilité consiste à utiliser les possibilités des puces atomiques. Dans ce cas, les atomes sont piégés en utilisant un piège magnétique généré par des courants circulant dans des conducteurs disposés sur un dispositif micro-fabriqué. Le refroidissement et le piégeage laser sont réalisés à proximité de la surface du circuit ce qui conduit à des dispositifs compacts. Le piégeage non dissipatif dans un piège magnétique permet d’obtenir des temps d’observation très longs, sur Terre comme en micro gravité. En général, le système optoélectronique pour ce type d’horloge est d’une complexité intermédiaire entre celle d’une fontaine atomique ou de l’horloge PHARAO et celle d’une horloge à piégeage cohérent de population. Pour ce type d’horloge des stabilités proches de 10-13 ont été démontrées.

4.2.5 Oscillateurs micro-onde ultra stables

Pour des horloges de très hautes performances ou des applications comme la VLBI à très haute résolution angulaire dans la gamme 500 GHz-1500 GHz, il est très intéressant de disposer d’oscillateurs micro-ondes à très bas bruit. Dans ce domaine, des développements récents impliquant la photonique doivent être mentionnés. En partant d’un laser stabilisé sur cavité à une longueur d’onde techniquement favorable (1550nm, 1064nm) et en utilisant un peigne de fréquence optique femtoseconde généré par un système, on peut générer des signaux micro-ondes avec des stabilités proches de quelques 10-15 à une seconde sans faire appel à la cryogénie. Evidemment, le développement de technologies permettant de réaliser des peignes de fréquence optiques fiables, compacts et embarquables ou spatialisables est également crucial pour l’utilisation d’horloges optiques. Dans ce domaine aussi, des développements dans les aspects concernant la photonique sont nécessaires pour passer de la démonstration en laboratoire à l’utilisation spatiale ou embarquée.

4.3 Métrologie des fréquences optiques

Les horloges optiques, qui reposent sur la spectroscopie de transitions atomiques de faible largeur de raie dans le domaine visible ou UV, offrent un potentiel important pour dépasser à l’avenir les meilleures fontaines atomiques et fournir des étalons encore plus exacts. Différents types de systèmes sont aujourd’hui considérés pour l’implémentation de ce type d’horloges. Des développements sont ainsi en cours pour étudier les performances ultimes accessibles avec différents types d’atomes neutres (mercure, strontium, ytterbium, argent…), ou avec un ion unique piégé (e.g. calcium). Il s’agit dans ce cas de développer les sources laser nécessaires au piégeage, refroidissement et à l’interrogation d’un ensemble d’atomes. La difficulté réside dans les longueurs d’onde nécessaires à la manipulation de ces espèces qui nécessitent le développement de sources laser spécialement adaptées. En outre, la phase d’interrogation de l’échantillon piégé impose

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l’utilisation d’un laser ultrastable, qui nécessite un important effort technologique, en raison de la sévérité des performances recherchées. Les recherches actuellement en cours devraient permettre de mieux comprendre les limites technologiques actuellement rencontrées sur les expériences pour développer une nouvelle génération d’instruments qui, avec des exactitudes meilleures que 10-17 , devrait s’approcher des limites ultimes de ces nouvelles horloges.

4.3.1 Dissémination de références de fréquence et transfert du temps

Les études sur la réalisation de références ultra-stables s’accompagnent de recherches sur les moyens permettant de transférer à distance l’information afin d’une part de comparer des données provenant de différentes horloges, et d’autre part de mieux raccorder et étalonner les échelles de temps atomique (Temps Atomique International, Echelle de temps du système GALILEO, etc…). Ces travaux s’articulent notamment autour de l’utilisation de satellites de télécommunications, ou du système GPS et visent à développer des méthodes pour améliorer la précision de ces techniques de comparaison. A plus long terme, l’utilisation de liens optiques fibrés pour la comparaison d’horloges ultra-stables à distance constitue une solution prometteuse pour contourner les limitations introduites par les techniques décrites ci-dessus. Le transfert direct d’une référence optique sur des distances de l’ordre de 1000 km fait partie des objectifs à atteindre pour la construction d’un réseau du temps européen. Au niveau des perspectives long terme, on peut signaler qu’un réseau fibré de grandes dimensions constituerait un interféromètre Sagnac gigantesque permettant d’effectuer des mesures géophysiques et des tests de l’effet Lense-Thirring.

4.3.2 Interféromètres à ondes de matière

L’utilisation des interféromètres à ondes de matière ouvre des perspectives fascinantes pour une nouvelle génération d’instruments. En particulier, ces techniques ouvrent des voies nouvelles pour la réalisation de gyromètres et d’accéléromètres de très hautes performances. Les recherches à mener consistent à étudier de nouveaux concepts de mesure permettant de repousser les limites des différentes approches pour des sensibilités encore accrues, nécessaires pour les expériences de physique, les applications en géophysique, en métrologie fondamentale ou à la navigation inertielle qui sont visées. Un des points forts de ce type de capteur inertiel est l’obtention d’une très grande stabilité long terme et exactitude. Les interféromètres atomiques sont des outils de choix pour réaliser des tests de physique fondamentale, et notamment des lois de la gravitation, que ce soit pour des mesures de forces à courtes distances (de l’ordre du micromètre) dans le cadre d’expériences en laboratoire, pour réaliser des tests du principe d’équivalence ou via des mesures d’accélération à l’échelle du système solaire pour des tests à grande distance. Par ailleurs, les gyromètres ultra-sensibles peuvent également être mis à profit pour réaliser des tests de la relativité générale comme la mesure de l’effet Lense-Thirring. Les accéléromètres atomiques sont également envisagés dans la réalisation d’un nouveau type de détecteur d’ondes gravitationnelles, pouvant permettre d’atteindre à basse fréquence une meilleure sensibilité que les interféromètres optiques dans le cadre d’expériences au sol. Ces mêmes interféromètres sont utilisés en métrologie fondamentale : à la mesure de la structure fine α, aux mesures de certaines propriétés atomiques (comme de la polarisabilité diélectrique) ou à l’utilisation d’un gravimètre atomique à une possible redéfinition de l’unité de masse par la constante de Planck via l’expérience de la balance du watt. L’utilisation de l’interférométrie atomique permet un très bon contrôle des effets systématiques, ce qui est nécessaire à l’obtention de l’exactitude requise pour ce type d’expérience. Le développement de capteurs inertiels atomiques de très grandes performances ouvre également de nouvelles perspectives en géophysique. Premièrement, les performances attendues permettent d’envisager de remplacer les accéléromètres fondés sur des technologies standard par des appareils plus performants à la fois pour les gravimètres absolus sols et pour la géodésie spatiale. Des applications de terrain en gravimétrie, à la prospection pétrolière et minière, peuvent également déjà être envisagées. Deuxièmement, le développement de gyromètres atomiques de très grande performance doit permettre de fournir des mesures importantes pour la définition des systèmes de références célestes et en géophysique. En réalisant des mesures locales et sur des temps relativement courts (quelques minutes à quelques heures) de la rotation de la terre, ce type de gyromètre ultra-sensible donnera des informations complémentaires à celles issues du VLBI, et notamment sur l’influence des tremblements de terre sur l’orientation de l’axe de la rotation de la terre.

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Il est également nécessaire de poursuivre les travaux permettant de progresser vers des architectures d’instruments beaucoup plus compactes et robustes, qui permettront de favoriser le transfert vers l’application. Ces développements porteront notamment sur l’utilisation des méthodes de piégeage et de manipulations d’atomes ultra-froids, qui sont fondées sur l’utilisation de puces à atomes magnétiques ou optiques. Ils permettent d’envisager de nouveaux concepts d’interféromètre bénéficiant des propriétés particulières de cohérence de ces sources atomiques. En utilisant des atomes pièges, ces méthodes doivent notamment permettre d’augmenter le temps de mesure, et donc la sensibilité, tout en améliorant la compacité. Ces développements sont donc essentiels pour les applications nécessitant à la fois des très hautes performances et une grande compacité, comme en navigation inertielle ou pour les différents projets spatiaux. Dans ce dernier cas, l’augmentation de la sensibilité envisagée en apesanteur est de plusieurs ordres de grandeur, que ce soit pour les applications à la physique fondamentale ou à la géophysique.

4.4 Interféromètres ultrasensibles

L’instrument VIRGO a atteint la sensibilité nominale fixée au démarrage du projet c'est-à-dire une mesure de variation de distance de l’ordre de 10-19 m à la fréquence de 200 Hz, dans une bande de mesure de 1 Hz. Le dispositif est actuellement en cours d’améliorations techniques pour préparer le projet Advanced Virgo. Afin de minimiser le bruit de photons, ce dernier est plus ambitieux que le précédent en termes de puissance stockée dans l’interféromètre (environ 150 fois plus) , ce qui demande un contrôle des effets thermiques dans les optiques par l’utilisation de matériaux sélectionnés, à très faible absorption, pour les substrats et les couches minces, et par l’ajout d’un système de compensation des déformations résiduelles (les gradients thermiques des composants optiques sont minimisés en réchauffant les zones froides avec un laser CO2) . La sensibilité sera améliorée d’un facteur 10 et le volume d’Univers observable augmentera donc d’un facteur 1000. Dans le domaine de la photonique, il s’agit de réaliser un laser de forte puissance (200 W) continu et ultra-stabilisé. Les lasers à solides (YAG ou Orthovanadate dopés au Néodyme) ont été jusqu’ici une solution fiable mais les charges thermiques dans les barreaux laser vont plafonner leur performance en puissance de sortie et une extrapolation vers des puissances plus élevées ne pourra se faire qu’avec de nouveaux types de laser. Les lasers fibrés ont fait des progrès considérables depuis peu en métrologie des fréquences et également en tant qu’amplis de puissances monomodes très élevées pour des applications militaires ; leur rendement et leur compacité font d’eux des candidats inévitables comme sources laser dans la métrologie de distance pour la détection des petits déplacements (détection des ondes de gravitation sur Terre et dans l’espace), et une recherche est en cours pour les stabiliser au niveau requis par Virgo. Un projet d’envergure européenne (Einstein Telescope) pour un observatoire des ondes de gravitation est en gestation actuellement et améliorerait la sensibilité d’un facteur 100 par rapport à Virgo. Dans ce projet, les enjeux seront de taille car il faudra surmonter quelques limitations quantiques, bruit de photons, bruit de pression de radiation, bruit thermique des miroirs, …. . D’autre part les senseurs à atomes froids dont la miniaturisation est en cours de développement, pourraient trouver des applications dans le contrôle des isolateurs sismiques des miroirs des futurs Virgo.

4.5 Métrologie des distances

Les progrès réalisés dans le domaine des peignes laser ouvrent des perspectives nouvelles en matière de métrologie des distances. Un couplage de techniques interférométriques et de mesure de temps de vol est suggéré pour déterminer la faisabilité des mesures de distance. En effet, l’utilisation de ces outils permet de contrôler simultanément la fréquence de répétition des impulsions et la fréquence optique de chacune des raies spectrales et de les comparer entre elles. Il devient possible de mesurer, par exemple, une distance de 100 km avec une grande précision et une résolution du nm, si le laser est stable au niveau 10-14. Un tel lien pourrait être à la base de liens plus complexes visant à mesurer les 6 degrés de liberté d’un hexapode comme celui proposé pour la mission Pégase. Un effort est à mener pour aboutir à des solutions laser de haute performance compatibles d’une utilisation spatiale (lasers fibrés ou diode lasers). Des applications en géodésie spatiale (vols en formation pour des missions post-GRACE) ou pour la surveillance de failles, faisant appel à ce type de technologies sont proposées depuis quelques années aux Etats-Unis et l’ESA finance également plusieurs R&D dans ce sens.

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Des techniques plus simples sont également développées pour cette application. Elle consiste à produire la fréquence de répétition par battement entre deux lasers fibrés et de transformer cette modulation sinusoïdale en train d’impulsions dans des fibres choisies pour leur dispersion et leur non-linéarité. Elle permet également d’atteindre des niveaux de performance tout à fait remarquables.

4.6 Programmes nationaux, positionnement international

La communauté française se positionne au tout premier plan international sur la quasi-totalité des domaines présentés précédemment. Les Etats-Unis disposent d’une courte avance technologique sur un certain nombre de sujets (interféromètres à ondes de matière, horloges atomiques compactes) mais celle-ci correspond davantage aux capacités industrielles qu’aux compétences académiques. Une petite dizaine de laboratoires développe des activités sur ces thématiques : SYRTE, Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, LKB , FEMTO-ST, PIIM, LPL, OCA… Ce domaine ne fait pas partie des programmes thématiques mis en place par l’ANR et les demandes de financement sont donc effectuées dans le cadre du programme blanc. Il faut toutefois signaler la possibilité de financements ponctuels par le CNES et la DGA, ainsi que de financements européens dans le cadre de la politique de mise en place de grands instruments scientifiques.

4.7 Structuration de la communauté

Depuis plusieurs années, les groupes de compétence concernés sont déjà partiellement structurés autour de groupements de recherche existants ou ayant existé :

• GPhyS Gravitation et Physique fondamentale dans l’eSpace, action fédérative nationale porté par l’Observatoire de Paris depuis 2008. GPhyS regroupe les labos nationaux travaillant sur les domaines suivants : métrologie (T/F, capteurs inertiels), gravitation (ondes gravitationnelles et tests de la loi de gravitation à différentes échelles), tests de physique fondamentale (espace mais aussi sol), systèmes de référence d’espace-temps

• GRGS, Groupement de Recherche en Géodésie Spatiale • IFRAF, l’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF), qui joue un rôle

structurant au niveau de la communauté « Atomes froids » • anciens GDR (GREX, G2, AGRET, …) dont certains continuent à exister en tant que

groupements informels. Cependant, le regroupement de cette communauté à l’échelle nationale dans une structure pérenne du CNRS est devenu incontournable avec pour objectif d’assurer une meilleure coordination des forces en présence et d’animer de façon plus structurée l’évolution scientifique de ces thématiques. Ce regroupement est d’autant plus important et urgent que de grands projets sol/spatiaux dans ce domaine sont déjà en cours et que la crédibilité des futures propositions de grands projets requiert impérativement une excellente structuration des porteurs de projets. Des discussions menées depuis 2006 conduisent à proposer aujourd’hui une action spécifique INSU (en partenariat avec les autres instituts INP, INST2I, IN2P3) ayant vocation à devenir un programme national dont les objectifs sont les suivants :

• Organisation nationale visible et pérenne de la communauté scientifique concernée • Possibilité de définition d’un interlocuteur naturel pour certains programmes spatiaux • Fléchage de postes • Financements spécifiques (dont post-docs) • Coordination, collaboration, animation (actions en cours, contribution aux services nationaux

et internationaux, …) • Mise en place d’un partenariat : CNRS (INSU+INP+INST2I+IN2P3), CNES, ESA, IGN,

Etablissements (Observatoires, universités), CEA, ONERA, … Le périmètre de cette action spécifique couvrirait celui de GPhys élargi aux systèmes de référence et à la géodésie spatiale. La communauté nationale dans le domaine des interféromètres pour la gravitation s’est structurée progressivement autour de Virgo pour les aspects technologiques (lasers ultra-stabilisés, miroirs à très faibles pertes, métrologie optiques ultra-précise des pièces de grande dimension…), elle s’est enrichie récemment de partenaires experts dans en physique quantique et en atomes froids.

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Cette communauté est structurée actuellement soit dans la collaboration Virgo pour les aspects technologiques de la construction de Virgo, soit dans le soutien R&D à travers ILIAS-GW (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Physics-Gravitational Waves), dans le cadre du FP6.

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MATERIAUX

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5 . MATERIAUX AVANCES

5.1 Périmètre

Un certain nombre de matériaux suscite un intérêt particulier pour l’optique. Il serait évidemment difficile d’en faire une liste exhaustive, nous ne nous intéressons donc qu’à quelques uns d’entre eux et en particulier à ceux qui montrent un intérêt particulier quant à leurs applications dans le domaine de l’optique et aux perspectives scientifiques dont ils font l’objet. Il s’agit : • des semi-conducteurs à grand gap, c'est-à-dire ceux ayant une bande d’énergie interdite grande

devant 1 eV (de 3 eV à ≈ 6 eV) tels que les éléments IV (SiC, diamant), III-V (GaN et ses alliages) et II-VI (ZnO et ses alliages, ZnS et ZnSe et leurs alliages) et dont les nombreuses applications visées sont pour les II-VI les sources DEL, les lasers à très bas seuil, les boîtes quantiques, les microcavités, les traceurs pour la biologie, pour les III-V les DELS bleues, vertes, blanches et UV, les microcavités, les VCSEL, les polaritons, les cristaux photoniques et pour les éléments IV, le dopage n du diamant,…

• des semi-conducteurs poreux, « naturellement » nano, meso ou microstructurés, permettant à la fois le confinement d’électrons, de phonons et de photons. Les propriétés uniques qu’ils présentent permettent d’envisager un nouveau type de matériau photonique multifonctionnel aux applications multiples dans les domaines de la biologie (marquage - vecteur, culture cellulaire - observation), du stockage et de la production d’énergie (cellules photovoltaïques), de la sensorique (électrique - optique - chimique), de la microélectronique et des MEMS/NEMS (couche sacrificielle ou reprise de croissance)

• des céramiques polycristallines transparentes qui pourraient s’avérer décisives pour la fabrication de source laser de très forte puissance. Ces céramiques pourraient se présenter sous forme de barreaux segmentés dont chaque segment contiendrait un taux de dopage en néodyme spécifique ou encore sous la forme d’un barreau ayant un gradient continu en dopage. Des travaux théoriques ainsi que les premiers résultats obtenus avec des pièces monocristallines semblent montrer que cette voie est très prometteuse

• des photopolymères pour les applications en optoélectronique organique (OLED / affichage), en photovoltaïque, en biologie (lab-on-chip), en chimie (capteurs), en micro et nanoptique (lithographie optique, nanocapteurs,…), en stockage d’informations (enregistrement holographique), en optique diffractive et réfractive

• des boîtes quantiques colloïdales dont l’application la plus aboutie est leur utilisation comme sonde fluorescente pour l’imagerie médicale, les défis à relever dans ce domaine étant de synthétiser des QD émettant entre 700 et 1100 nm et trouver une chimie de surface permettant de cibler in vivo avec des tailles inférieures à 10 nm. Dans le domaine de l’optoélectronique, des travaux devront permettre l’optimisation des LED organiques et des cellules photovoltaïques fabriquées à partir de QD colloïdaux. Sur un plan plus fondamental, de nombreuses études restent à faire sur la compréhension et la maîtrise des synthèses des QD ainsi que sur l’étude des propriétés physico-chimiques des particules nouvellement synthétisées

• des cristaux pour l’optique et les lasers qui sont soit des cristaux luminescents dopés ou non par des ions optiquement actifs, soit des cristaux à forte susceptibilité non linéaire d’ordre 2 ou 3. La liste de ces cristaux étant assez longue, nous renvoyons le lecteur au document complet relatif à cette thématique. Quant aux perspectives scientifiques, elles se posent en termes de domaines de longueurs d’onde, d’efficacité et de robustesse, de dimensionnement et de mise en forme et évidemment de manière sous jacente en termes de qualité optique et de reproductibilité de fabrication

• des nanotubes de carbone (CNT) dont les études sur leurs propriétés optiques se sont fortement développées depuis le début des années 2000, époque au cours de laquelle un verrou technologique important a été levé à savoir la possibilité de séparation et d’isolation des CNT qui avaient une très forte tendance à s’agréger en cordes, agrégation à l’origine d’une forte inhibition de la luminescence des CNT. Les études menées dans le cadre des propriétés optiques des CNT ont montré l’existence d’excitons unidimensionnels fortement liés qui conditionneront les performances de la plupart des dispositifs optoélectroniques.

5.2 Semi-conducteurs à grand gap

L’appellation grand gap pour les semi-conducteurs n’a de sens que dans une vision historique. Le silicium et le germanium ayant posé les bases de référence d’un gap dit normal, la dénomination

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grand gap est réservée aux semi-conducteurs de bande d’énergie interdite grande devant 1eV. En pratique, la valeur est d’au moins 3eV et va jusqu’à 6eV environ. Au delà, les possibilités de dopage et de conduction sont suffisamment limitées pour que l’on parle d’isolants. Mais il faut noter que ce seuil a été revu à la hausse ces dernières années car des matériaux comme le diamant ou AlN étaient considérés comme des isolants au siècle dernier. On peut recenser les matériaux suivants, classés par famille :

• Eléments IV : le carbure de silicium (SiC) sous ses divers polytypes, et le diamant • Eléments III-V : le nitrure de gallium (GaN) et ses alliages contenant de l’indium et de

l’aluminium (AlInGaN), voire du bore (AlGaBN) • Eléments II-VI : l’oxyde de Zinc (ZnO) et ses alliages avec Cd et Mg, ainsi que ZnS, ZnSe et

leurs alliages avec Cd, Be, Te, Mg

5.2.1 ZnSe-ZnS et alliages

Ces matériaux ont été largement étudiés dans les années 80 et 90 notamment pour leurs propriétés optiques car ils étaient pressentis pour la réalisation de sources de lumière dans le bleu et le vert. Malgré des débuts prometteurs, avec quelques résultats laser, ces matériaux n’ont pas tenu leurs promesses en raison de problèmes de fiabilité. Leur étude pour les sources DEL et laser est désormais très limitée dans le monde et en France. En marge de cet effort pour des composants, ces matériaux ont également été utilisés pour des études plus fondamentales concernant les boîtes quantiques, les microcavités et plus récemment les traceurs pour la biologie. Cet effort se poursuit actuellement. L’insertion d’un atome magnétique dans une boîte quantique CdTe/ZnTe permet de travailler sur la dynamique de spin et d’aborder les problèmes d’enregistrement/lecture de spin. Les microcavités II-VI permettent d’étudier les polaritons, la condensation de Bose Einstein et les lasers à seuil très bas. Les nanosphères de CdSe sont actuellement utilisées en tant que traceurs pour des applications biologiques.

5.2.2 ZnO

ZnO est utilisé depuis longtemps de façon industrielle pour des applications aussi variées que la pharmacie, la cosmétique, mais aussi pour la fabrication des pneus, papier pour photocopies, allumettes, ciment dentaire… Il est étudié de façon intensive pour ses propriétés de semi-conducteur à large gap (3.3eV) depuis les années 90. Les motivations à ces études sont multiples. Celle couramment mise en avant est l’émission de lumière dans le proche UV ou le bleu (puits quantiques ZnCdO) pour concurrencer GaN. Ces 2 matériaux sont en effet assez proches l’un de l’autre. Cependant, la réussite exceptionnelle des nitrures pour la réalisation de sources de lumière, en dépit de leur qualité cristallographique modeste, ne laisse pas beaucoup de place à ZnO. D’autres applications ou d’autres études fondamentales semblent avoir un champ plus ouvert. ZnO a la particularité d’avoir une liaison excitonique très forte (60meV). Toute la physique et tous les composants reposant sur les excitons sont donc susceptibles de fonctionner à haute température et haute densité dans ZnO. On peut citer par exemple les polaritons et les lasers à microcavités. Une autre particularité est l’espoir de pouvoir constituer une phase ferromagnétique à température ambiante. Certaines théories ont en effet prédit que ZnO (comme GaN) dopé avec des ions magnétiques pourrait être ferromagnétique à 300K si le dopage de type p donne une densité de trous suffisante. Une telle réalisation serait une porte ouverte sur la spintronique. Un effort important est consenti sur ce thème dans le monde. Certains résultats positifs en aimantation se sont malheureusement avérés être des erreurs d’interprétation sur l’origine du magnétisme. Les ions magnétiques peuvent former des précipités ou des phases parasites ferromagnétiques sans que la phase semiconductrice ZnO ne soit ferromagnétique. Le but reste donc à atteindre. Une autre tendance actuelle observée est l’utilisation conjointe de ZnO et GaN pour des applications d’émission de lumière. Enfin, et ce point sera repris dans le cas de GaN, ZnO est un matériau polaire, siège de forts champs électriques selon l’axe c de sa maille hexagonale. Des hétérostructures ZnMgO/ZnO à haute mobilité d’électrons ont tiré profit de ce champ. Toutefois, de nombreuses équipes dans le monde cherchent à épitaxier du ZnO selon une direction différente de l’axe c, pour obtenir du ZnO dit "non polaire". Signalons pour finir la biocompatibilité de ZnO souvent mise en avant pour ouvrir les applications vers la biologie, ou encore les nanofils pour des applications à plus long terme.

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5.2.3 GaN et alliages

Apparu furtivement dans les années 70, GaN est réapparu au grand jour dans les années 90 et représente aujourd’hui le semiconducteur le plus important sur le plan économique (très loin) après le silicium. L’application phare est constituée par les DELs. Des DELS bleues et vertes sont produites. En combinant avec un luminophore émettant dans le jaune, des DELS blanches sont obtenues et pourraient prendre une place considérable pour l’éclairage public et domestique. Enfin, des DELs UV sont fabriquées, notamment pour des applications de stérilisation d’air ou d’eau. Vu les enjeux économiques, l’effort mondial en R&D dans ce secteur est gigantesque. Il porte sur différents points. GaN est un matériau polaire, comme ZnO. La phase hexagonale est en effet la plus stable du point de vue thermodynamique. Une autre phase, cubique, est non polaire mais sa synthèse s’avère bien plus difficile à maîtriser. Les champs électriques internes qui apparaissent dans les hétérostructures épitaxiées en phase hexagonale selon l’axe c nuisent au bon fonctionnement des DELs et laser. L’épitaxie de matériau selon d’autres orientations est un thème extrêmement actif et les progrès en GaN non polaire ou semipolaire sont rapides. Ces DELs ayant vocation à fournir des puissances importantes, beaucoup d’études visent à améliorer leur efficacité à fort courant (kA/cm2). Enfin, les sources vertes à base de GaN restant moins performantes que leurs consœurs bleues, l’émission dans le vert est un challenge actuel aussi bien pour les DELs que pour les lasers (la barre des 500nm de longueur d’onde d’émission a été atteinte en 2009). L’électronique à base de GaN n’est pas en reste. GaN a la capacité de supporter des courants et des tensions nettement plus grands que le Si ou le GaAs. Il peut en outre fonctionner à plus haute température. Enfin, ses caractéristiques matériau lui permettent de travailler à plus haute fréquence que le Si ou SiC, mais plus basses que GaAs ou InP. GaN, dont le composant électronique le plus abouti actuellement est le transistor à effet de champ (HEMT), se positionne ainsi sur le marché "Radio Fréquence" forte puissance (5-10 W/mm de grille, avec un record à 50 W/mm) et fréquence moyenne (2-50 GHz). Après des années de recherche et de progrès au niveau matériau et composants, l’effort mondial se concentre désormais sur la réalisation d’amplificateurs, sur la fiabilité, et sur la baisse des coûts par la recherche de substrats de grande surface (Si par exemple). Au niveau de l’électronique de puissance (diodes redresseuses, commutateur de puissance), un effort considérable est mis en place aujourd’hui pour s’approprier un marché de taille nettement supérieure à celui de la RF. Naturellement bien adapté à la détection dans l’UV, GaN et surtout AlGaN ont fait l’objet de travaux notables et des résultats tangibles ont été atteints. L’envergure des efforts dans le monde reste cependant conditionnée par la taille du marché visé, c’est à dire modeste. On assiste aujourd’hui à une grande diversification de la recherche sur GaN pour des composants de toutes sortes : MEMS, capteurs de pression, filtres acoustiques, capteurs chimiques ou biologiques. L’ouverture vers la biologie se profile, motivée par l’activité optique des molécules du vivant dans le visible/proche UV, là où justement GaN excelle. A signaler encore que tous les domaines ouverts en GaAs sont désormais actifs en GaN : microcavités, VCSEL, polaritons, cristaux photoniques, plasmonique, physique unipolaire… Parent pauvre jusqu’à maintenant, l’optique non linéaire reste peu étudiée dans GaN. En bref, la diversité et le dynamisme des recherches en GaN en font actuellement le semiconducteur composé le plus étudié.

5.2.4 SiC

Le carbure de silicium, synthétisé de façon industrielle pour des applications mécaniques, pour des abrasifs (carborundum)…est un semiconducteur présentant une multitude de polytypes (cubiques ou hexagonaux) ayant un gap de l’ordre de 3eV. Ce gap est indirect si bien que ce matériau présente peu d’intérêt pour l’optoélectronique. Connu depuis plusieurs décennies, beaucoup plus pauvre en possibilité d’ hétérostructures que GaN, il ne jouit pas d’une activité de recherche fondamentale intense. La R&D se concentre sur la réalisation de composants pour l’électronique de puissance (forte puissance, fréquence <5GHz) et de capteurs. Les polytypes les plus utilisés sont les phases hexagonales 6H et 4H (transistors et diodes de puissance), et 3C épitaxiées sur Si (capteurs, électronique). Ces trois phases sont également utilisées en tant que substrat pour l’épitaxie de GaN en raison du désaccord de maille raisonnable (environ 3%) et des propriétés de dissipation thermique du SiC. Récemment, la possibilité de réaliser du graphène à la surface de SiC par traitement thermique a relancé les études fondamentales sur les surfaces de SiC. Le graphène pourrait ainsi enrichir la

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palette d’hétérostructures possibles sur SiC, y compris SiC/Si, et ce sujet mérite une attention particulière.

5.2.5 Diamant

Elément naturel connu et apprécié depuis longtemps, le diamant est également synthétisé et étudié depuis les années 50, mais avec des succès variables. La technique donnant les couches les plus pures est la CVD plasma. Les tailles et les épaisseurs restent limitées. Avec un gap indirect de l’ordre de 6eV, le diamant a des propriétés intrinsèques (vitesse et mobilité des porteurs) très attractives. Malheureusement, autant ses difficultés de fabrication que les difficultés de dopage, ont fortement limité jusqu’à ce jour son développement en tant que semiconducteur. Le dopage n reste un challenge. La découverte en 2004 de la supraconductivité du diamant dopé Bore a clairement ouvert une voie d’investigation intéressante. Les caractéristiques mécaniques du diamant le prédisposent également à des études de nano-mécanique quantique, domaine qui apparaît très en vogue d’une manière générale. Comme l’AlN, le diamant apparaît comme un bon dissipateur de la chaleur générée dans les composants de puissance reportés sur ces substrats.

5.2.6 Programmes nationaux, positionnement international

• Programmes nationaux : ANR : AAP blanc – AAP PNANO- AAP MATetPro

• Evénements nationaux (GDR) : on retrouve les matériaux à large gap dans les GDR thématiques comme les « nanofils »

• Evénements internationaux

• De nombreuses conférences sont dédiées à GaN. Les deux plus importantes en taille sont : - ICNS : conférence internationale bi-annuelle (année impaire) - IWN : conférence internationale bi-annuelle (année paire)

• En ce qui concerne SiC, les plus grosses conférences sont : - ICSCRM : conférence internationale bi-annuelle (année impaire) - ECSCRM : conférence internationale bi-annuelle (année paire)

• Pour les semiconducteurs II-VI, les plus grosses conférences sont : - Int. Conf. On II-VI compounds : conférence internationale bi-annuelle (année impaire) - Int ZnO worshop : conférence internationale bi-annuelle (année paire)

• Pour le diamant : - European Conference on Diamond, Diamond- Like Materials, Carbon Nanotubes, and Nitrides. Material Research Society Symposium

5.2.7 Recensement de communauté

• Communauté académique : - II-VI dont ZnO : CRHEA (Valbonne-Sophia Antipolis), INAC (Grenoble), LETI (Grenoble), GES (Montpellier), GEMAC (Meudon), INP (Paris) - GaN : CRHEA (Valbonne-Sophia Antipolis), INAC (Grenoble), LETI (Grenoble), GES (Montpellier), IEF (Orsay), IEMN (Lille), LPN (Marcoussis), LASMEA (Clermont Ferrand), CIMAP (Caen), GEORGIATEC (Metz) - SiC: CRHEA (Valbonne-Sophia Antipolis), INPG (Grenoble), LMI (Lyon) - Diamant : CEA (Saclay), GEMAC (Meudon), NEEL (Grenoble).

• Communauté industrielle nationale :

- GaN : Thales (Palaiseau), Alcatel-Thales 3-5 Lab(Marcoussis), UMS, Picogiga (Les Ullis), STMicroelecronics (Tours), RIBER (Bezons), Lumilog (Vallauris) - SiC : Novasic (Bourget du Lac), STMicroelecronics (Tours)

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5.3 Semi-conducteurs poreux : matériaux photoniques multifonctionnels

5.3.1 Généralités et faits marquants

La découverte de la photoluminescence du silicium poreux en 1990 a permis de découvrir un nouveau type de matériaux à savoir les semiconducteurs poreux dont les propriétés vont au-delà de l’émission de lumière comme il a été démontré depuis. Classés en fonction de la taille des pores (< 2 nm nanoporeux, entre 2 et 50 pour le mesoporeux et > 50 nm pour le macroporeux), les semiconducteurs poreux permettent à la fois le confinement d’électrons, phonons et photons. Il en découle un contrôle direct des propriétés électroniques, électriques, thermiques, optiques et, si on ajoute à cela une surface interne (développée) pouvant aller jusqu’à plusieurs centaines de m2 / cm3, des propriétés chimiques exacerbées. La double, voire triple échelle de structuration obtenue par synthèse électrochimique fait de ces matériaux des matériaux avancés obtenus par voies « naturelles » aux propriétés quasi infinies si on tient compte en plus de la possibilité de les utiliser comme matrice d’accueil pour d’autres matériaux organiques et inorganiques. Découvert en 1956 puis redécouvert en 1990 pour ses propriétés d’émission de lumière, le silicium poreux reste le plus bel exemple pour illustrer l’intérêt de ce type de matériaux aux propriétés multiples. Principalement concentré sur la luminescence, l’effort de recherche au cours de ces 20 dernières années, s’est considérablement élargi. Les applications concernent aujourd’hui à la fois les capteurs chimiques et biologiques, les MEMS, la microfluidique, l’électronique, la production (cellules solaires) et le stockage de l’énergie, la photonique et l’optique intégrée. Parmi les propriétés les plus significatives au delà de l’émission de lumière, on peut citer : • la possibilité de moduler fortement l’indice de réfraction (∆n > 2) et ce de manière continue qui a

permis la réalisation de microcavité planaire subnanométrique, premiers miroirs parfaits monolytiques, filtres rugate…,

• la possibilité de fonctionnaliser la surface du matériau de manière à la rendre biocompatible, hydrophobe ou hydrophile…,

• la possibilité de réaliser à partir de couches minces des poudres de matériaux luminescents qui peuvent être utilisées pour le marquage biologique ou comme vecteur pour la diffusion de molécules actives. Cette dernière propriété peut être combinée à celle de moduler l’indice de réfraction pour réaliser des particules codées « smart dust » dont la couleur révèle le caractère hydrophile ou hydrophobe d’une solution,

• une hypersensibilité du matériau à certaines espèces chimiques (NO2 par exemple) qui s’explique par une modification drastique de la concentration de porteurs intrinsèques dans la couche (libération de porteurs libres piégés en surface par passivation de la surface),

• la possibilité de photostructurer à l’échelle micronique directement le matériau. Sa structure poreuse « ouverte » permet une nouvelle chimie de surface en volume limitée uniquement par la longueur de pénétration dans le matériau,

• la biocompatibilité du silicium poreux (contrairement au silicium massif) qui peut être notamment utilisé pour la croissance de cellules (ingénierie de tissus osseux par exemple),

• l’incorporation de molécules fluorescentes ou absorbantes et l’exaltation de leurs propriétés d’émission par dispersion nanométrique ou structuration d’indice.

A ces différentes propriétés viennent s’ajouter des propriétés plus anciennes mais tout aussi intéressantes comme : • la possibilité d’utiliser le matériau comme une couche sacrificielle (micro-usinage du silicium

massif), • la possibilité de réaliser des membranes nano et mesoporeuses par voie électrochimique. Cette

propriété a été plus récemment utilisée pour réaliser un spectromètre IR de type MEMS pour la détection de gaz dont l’élément sensible est un miroir de Bragg accordable actionné électriquement,

• la possibilité d’utiliser le matériau comme isolant électrique et surtout thermique, la conductivité thermique du silicium nanoporeux pouvant être réduite de 5 ordres de grandeurs.

Si le silicium est resté de loin le matériau le plus étudié, au fil des années, l’intérêt s’est également porté sur d’autres semiconducteurs ou oxydes poreux comme : • les semiconducteurs couramment utilisés en optoélectronique, III-V comme le GaAs, GaP et l’InP

avec cependant une électrochimie plus complexe dans le cas des matériaux binaires,

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• le Germanium, le SiGe ou beaucoup plus récemment le SiC, • l’alumine poreuse utilisée comme nanotemplate, • les films minces de TiO2 utilisés pour leur propriétés photochimiques (photocatalyse), • plus généralement les films minces de nanostructures, nanofils et nanotubes de matériaux

semiconducteurs. Parmi ces matériaux on trouve notamment les semi-conducteurs à grand GAP comme le ZnO et les applications associées dans le domaine de l’éclairage (LED), l’énergie (cellules photovoltaïques) et les capteurs (propriétés piezoélectriques).

5.3.2 Perspectives

Comme nous venons de le montrer, l’idée même d’obtenir une couche mince nanostructurée à partir d’un semiconducteur (oxyde) permet d’élargir considérablement les champs d’applications du matériau initial en lui conférant des propriétés uniques rendues possibles grâce à la nano ou/et mesostructuration. De ce fait, d’une manière générale, les semiconducteurs poreux permettent de répondre au besoin croissant de matériaux nanostructurés à grande échelle, abondants, « environmental friendly », biocompatibles dont les procédés d’élaboration (principalement électrochimiques) sont relativement simples, bas coût et pouvant être très bien maitrisés. Un autre aspect essentiel est leur complémentarité vis-à-vis d’autres matériaux. Principalement obtenus à partir de matériaux semiconducteurs, bien, voir très bien maitrisés, (nature et type de dopage, état de surface et cristallinité), les semiconducteurs poreux ont clairement bénéficié de l’existence de substrats de qualité. Aujourd’hui, si on reste sur l’exemple du silicium, le silicium poreux a permis d’étendre le champ d’application du silicium pourtant déjà relativement vaste (cf. http://www.quantum14.com/english/). Toutes ses propriétés sont étroitement liées à la structure poreuse qui confère également une certaine complexité au matériau (la problématique du contact interne électrique n’a toujours pas été résolue). Clairement, des progrès sont encore à réaliser sur la chimie de surface pour rendre les matériaux encore plus compatibles entre eux (matériaux polymères ou biologiques). Un effort est également nécessaire sur la modélisation des propriétés optiques, mécaniques et surtout électroniques même si une prise en compte de la morphologie exacte semble impossible. Enfin, la perspective certainement la plus importante réside dans la possibilité de combiner l’ensemble de ces propriétés en vue de réaliser de nouveaux matériaux multifonctionnels et plus spécialement des matériaux photoniques multifonctionnels. Si l’optique instrumentale est transversale, les matériaux pour l’optique le sont beaucoup plus rarement comme le montre le silicium cristallin qui ne devient intéressant pour l’optoélectronique et la photonique qu’à condition d’utiliser les technologies de la microélectronique pour le micro nanostructurer ou doper. Les semiconducteurs poreux, comme le Si poreux le démontre, constituent non seulement une alternative souvent associée à des procédés simples à mettre en œuvre et bas coût, mais surtout une nouvelle classe de matériaux dont les propriétés restent à découvrir ou à inventer. On notera ici l’importance de développer des programmes transversaux et des équipes pluridisciplinaires pour valoriser au mieux ce type de matériau.

5.3.3 Principaux événements nationaux et internationaux

• Conférences internationales : - Optique et photonique : SPIE PHOTONICS (aspects matériaux et applications), EOS etc… - Conférences dédiées matériaux : MRS, E-MRS, etc… - Conférences dédiées électrochimie : ECS meeting - Conférences dédiées : PSST (Porous Semiconductors - Sciences and Technology)

• Conférences nationales : JNOG, JMC, différents GDR comme GDR ondes. • Principaux acteurs académiques nationaux :

- Synthèse : LPMC Palaiseau - Synthèse et applications* : INL(INSA) Lyon, FEMTO-ST, FOTON Lannion, LCMTR-Thiais, LMP, GES, ENSCM Montpellier, ICD / LNIO Troyes.

• Industriels et industriels potentiels : - Semiconducteurs : Sony (Japon), SOITEC (France) - Matériaux : St Gobain (France) - Start-up : Quantum14 (Japon) - Equipementiers : Petzl (France), Paxitech (France), Biologic (France)

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5.3.4 Résumé

« Naturellement » nano, meso ou microstructurés, les semiconducteurs poreux permettent à la fois le confinement d’électrons, phonons et photons. En découle un contrôle direct des propriétés électroniques, électriques, thermiques et optiques, qu’elles soient intrinsèques au matériau ou extrinsèques dans le cas de matériaux composites (matrices). Cependant, comme l’ont montré les recherches menées maintenant depuis une vingtaine d’années sur le silicium poreux, ce contrôle ne devient possible que si la surface interne du matériau, pouvant atteindre plusieurs centaines de m2/cm3, est à son tour contrôlée (passivation, …). Cet ensemble de propriétés uniques permet d’envisager un nouveau type de matériau photonique multifonctionnel aux applications multiples comme la biologie (marquage - vecteur, culture cellulaire - observation), le stockage et la production d’énergie (cellules photovoltaïques), la sensorique (électrique – optique - chimique), la microélectronique et les MEMS/NEMS (couche sacrificielle ou reprise de croissance).

5.4 Les céramiques transparentes pour l’optique

Les céramiques transparentes pour l’optique sont des matériaux polycristallins essentiellement à base d’oxydes. Elles se distinguent des monocristaux usuels par le fait que leur microstructure est constituée d’une multitude de grains de taille micrométrique collés les uns aux autres et séparés par des joints de grain. Leur très grande transparence est conférée par trois propriétés principales : - la présence d’une structure cristallographique cubique qui garantit l’isotropie de l’indice de réfraction - l’élimination totale de la porosité qui peut agir comme centre diffusant la lumière - l’élimination totale des impuretés

5.4.1 Historique

La première céramique transparente a été à base d’alumine. Elle a été développée par General Electric en 1959 pour l’utiliser comme enveloppe dans les lampes à décharge d’éclairage public. De 1960 à 1980 la recherche sur ces matériaux a été principalement menée par les américains. Pendant cette période des céramiques translucides à base d’oxyde d’yttrium ont été développées par l’armée américaine et Raytheon pour des utilisations en blindage ou dômes infrarouge pour missiles. L’utilisation en cavité laser de céramiques très transparentes d’oxyde d’yttrium mélangé avec de l’oxyde de thorium a eu lieu en 1973. D’autres composés translucides à base de spinelle (MgAl2O4) ou d’oxyde de magnésium ont été étudiés. Citons également des études sur des composés à la fois transparents et piézoélectriques tels que les PLZT. A partir de 1980, la recherche se déplace en Europe avec le dépôt du premier brevet européen sur des céramiques transparentes de YAG (Y3Al5O12) par Philips. Il faut attendre une étude japonaise en 1995 pour voir apparaître des céramiques de YAG dont la transparence est au moins aussi bonne que celle des monocristaux. Une dizaine d’année est le temps qu’il a fallu pour lever l’ensemble des verrous technologiques liés à l’obtention de céramiques totalement exemptes de défauts. A partir de la littérature sur le sujet, on peut définir un procédé général de fabrication d’une céramique transparente. On peut le schématiser en trois étapes essentielles (Figure 1) :

Figure 1 : Schéma de principe pour la fabrication de céramiques transparentes

Certaines étapes incontournables apparaissent dans ce procédé : L’utilisation de poudres nanométriques (ce qui suppose une bonne maîtrise de la synthèse chimique) Un procédé de fabrication en phase solide tout au long du procédé (pour rappel, la voie monocristalline nécessite le passage par une fusion des oxydes, c'est-à-dire des températures parfois supérieures à 2000°C) L’ajout d’un additif qui permet d’abaisser la température de frittage (ex : SiO2 ou MgO pour la synthèse du YAG)

Mélange des matières premières (sous forme de poudres nanométriques)

Mise en forme par un procédé adapté (pressage, coulage)

Frittage à haute température (plus de 1500°C) sous vide ou sous pression

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Les températures de synthèse des céramiques, plus basses que pour les monocristaux, permettent à présent de réaliser de nouveaux matériaux transparents comme l’oxyde de scandium ou de lutétium. Les rendements laser des céramiques actuelles mesurés en cavité sont absolument identiques aux monocristaux usuels.

5.4.2 Perspectives technologiques

Il reste cependant un problème important dans les sources laser actuelles. En effet, au-delà de plusieurs dizaines de joules des effets de lentilles thermiques apparaissent, ce qui entraine parfois la fracture des barreaux dans les cavités. Cet échauffement est dû principalement à une trop forte absorption de l’énergie de pompage. Avec un profil d’absorption plus homogène le long du barreau ce problème disparaitrait. En conséquence, le développement des céramiques polycristallines transparentes s’oriente à présent vers la conception de pièces dont les profils d’absorption de pompage seront maîtrisés. Elles pourraient se présenter sous forme de barreaux segmentés dont chaque segment contiendrait un taux de dopage en néodyme spécifique ou encore sous la forme d’un barreau ayant un gradient continu en dopage. Des travaux théoriques ainsi que les premiers résultats obtenus avec des pièces monocristallines semblent montrer que cette voie est très prometteuse. Le développement de moyens industriels pour produire de tels composites s’avèrera décisif sur la fabrication de source laser de très forte puissance.

5.4.3 Programmes nationaux et internationaux

• Programmes nationaux : Fonds commun des pôles de compétitivité ANR : Mat & Pro

• Evènements internationaux : - LCS : « Laser Ceramic Symposium » tous les ans - ECerS, CLEO, tous les salons et congrès ayant un rapport avec la céramique technique ou les lasers

• Communauté académique nationale : SPCTS, ENSPCI, CEA Le Ripault, IUT Blois, ICMCB, INSA de Lyon

• Communauté industrielle nationale : CILAS, St-Gobain, Baïkowski, THALES

5.5 Les polymères- Application à l’optique

5.5.1 Généralités : les polymères pour l’optique

Comparées aux centaines de variétés de verre utilisées pour l’optique, la douzaine de matériaux polymères appliquées au même domaine présente essentiellement des avantages de poids et de flexibilité de mise en forme, ainsi que de résistance (mécanique, chimique, thermique …), d’esthétique (les progrès de la recherche permettent d'allier les fonctions recherchées aux qualités visuelles - formes, couleurs - et tactiles), de recyclage (le plastique est le seul matériau qui permet quatre modes de valorisation : réemploi, valorisation matière, valorisation chimique ou énergétique),...et aussi de compétitivité, fiabilité, modernité, adaptabilité, technicité, sûreté … Les optiques plastiques présentent également des avantages en terme de méthodes de production : production de masse, simple et peu coûteuse, conception de surfaces très compliquées, réseaux de lentilles, lentilles de Fresnel, intégration dans des systèmes complexes, contrôle qualité, les inconvénients majeurs étant leur sensibilité à des changements de température ou d’humidité, leur homogénéité en indice, leur biréfringence, leur difficulté d’implanter des revêtements spécifiques sur certains d’entre eux (procédés haute température interdits). Le recours à des procédés de micro-moulage permet une fabrication en série de micro-éléments optiques avec une excellente fidélité de reproduction, y compris pour des formes complexes. Les principales applications industrielles pour l’optique concernent l’optique réfractive, l’optique diffractive, les fibres optiques, les lentilles ophtalmiques, les lunettes ainsi que les filtres optiques. Il est à noter que des avancées considérables ont permis d’étendre les domaines d’applications des matériaux polymères. Grâce à l’ingénierie moléculaire, des progrès concernant la gamme d’indice de réfraction accessible, l’amélioration des propriétés mécaniques, de la résistance aux conditions agressives (température, solvants, etc…) ont pu être apportés et ainsi limiter les inconvénients liés à l’utilisation de matériaux organiques.

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La possibilité de doper certains matériaux polymères permet de moduler les propriétés optiques passives ou leur conférer des fonctions optiques actives : Pour ce qui concerne les propriétés optiques passives, citons la possibilité de moduler l’indice de réfraction dans une large gamme en ayant recours à des monomères haut-indice ou des mélanges de monomères. Cette flexibilité autorise également une modulation des propriétés de surface, favorisant les propriétés d’adhésion sur des substrats divers (ouverture vers la micro-optique intégrée). Le recours à des matériaux hybrides, préparés par voie sol-gel, est une voie qui a été largement développée durant la dernière décennie. L’idée est dans ce cas de développer des matériaux aux propriétés intermédiaires entre les verres inorganiques et les polymères en conservant les avantages de mise en forme liés à cette dernière catégorie. Des efforts considérables ont également été menés pour obtenir des niveaux de perte optique compatibles avec des applications pratiques, aux longueurs télécom, et tout particulièrement à 1550 nm. Le recours à des matériaux fluorés permet dans ce cas d’obtenir un niveau de perte du même ordre de grandeur que celui des matériaux inorganiques optimisés. Le dopage des matériaux polymère peut également être utilisé pour conférer des propriétés actives. Citons les propriétés : • non-linéaires – dopage par des chromophores (azobenzènes) ou des nanoparticules. Différentes

solutions ont été proposées pour induire une anisotropie maximum dans le matériau et la conserver dans le temps.

• photoréfractives – dopage par des cristaux liquides • photochromiques • électro-optiques –modulateurs électro-optiques • d’amplification optique – dopage par des terres rares D’une façon générale, les enjeux consistent à réaliser une incorporation d'une quantité maximale de dopants en conservant l'intégrité des objets individuels. En particulier, de nombreux travaux de chimie consistant à modifier la matrice polymère ainsi que les propriétés de surface des dopants (fonctionnalisation) permettent d’éviter l’agrégation en obtenant des dopages importants. Un domaine d’application présentant une forte activité de développement concerne l’électronique organique, à travers la mise au point de systèmes d’affichage basés sur des matériaux organiques (Polymer-OLED). Des travaux sont toutefois toujours en cours pour augmenter la durée de vie (en particulier dans le bleu), limiter la sensibilité à des facteurs environnementaux (humidité, température) pour rendre cette technologie réellement compétitive. A noter que cette famille de matériaux présente des potentialités en photovoltaïque, ce qui explique également un gros effort de R&D actuellement. Les applications à l’interface entre l’otique et la biologie connaissent également un développement important, l’intérêt des matériaux polymère dans ce domaine étant de pouvoir être incorporé dans un dispositif optique tout en apportant une réponse à un paramètre biologique. L’utilisation de polymère a permis le développement de capteurs optiques pour la biologie, en incluant des systèmes tout intégrés (lab-on-chip).

5.5.2 Les photopolymères

La photochimie permet aujourd’hui de disposer de matériaux organiques pouvant être micro ou nanostructurés par voie optique et ceci de façon contrôlée. La réaction de polymérisation photoinduite présente de nombreux avantages tels que rapidité du processus, faible quantité d’énergie nécessaire pour induire des différences de propriétés physico-chimiques significatives, large gamme de monomères, de systèmes photoamorceurs,….. Un large panel de systèmes photosensibles est disponible, permettant de couvrir une gamme spectrale allant de l’UV profond (150 nm) au proche IR (900 nm). Un autre avantage significatif repose sur la possibilité de contrôler spatialement la réaction photoinduite, à la base du développement des techniques lithographiques, avantage décisif pour les applications en micro-nanofabrication, la modification du matériau n’intervenant que dans des zones bien délimitées qui correspondent aux zones irradiées. De nombreuses applications découlent de cette propriété mise à profit en priorité par le domaine de la microélectronique et essentiellement pour la lithographique optique. En effet, les techniques et matériaux développés pour ce secteur ont été largement détournés pour d’autres applications. L’optique, en particulier, est l’un des domaines bénéficiant des propriétés des photopolymères et photomatériaux utilisés par exemple pour

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l’enregistrement holographique, en micro-optique réfractive, diffractive, ou encore couplés à des nanoparticules métalliques pour former des matériaux hybrides présentant de nouvelles fonctions optiques. Un des principaux intérêts de ce type de matériau réside dans la possibilité d’implanter directement l’élément optique, à basse température, sans le recours à des étapes sous vide ou de gravure (physique ou chimique). Ces conditions étant compatibles avec la présence des substances dopantes listées précédemment, les photopolymères présentent un potentiel dans tous les domaines de l’optique visés par les polymères. Différentes techniques ont été développées en fonction de la complexité des formes, de leur taille caractéristique (photolithographie de proximité, de contact, direct-writing, techniques interférométriques, techniques champ proche, etc…). En général, les éléments optiques sont fabriqués par photoréticulation (résines négatives) puis développement pour éliminer la partie non phototransformée. Des procédés alternatifs ne requièrent pas de développement pour obtenir soit une déformation de la surface (procédés dits « auto-développant ») ou une modulation spatiale de l'indice de réfraction. Un domaine d’application important concerne l’optique guidée. Les matériaux photopolymères constituent une voie très intéressante pour fabriquer des structures 1D (guides d'onde planaires), 2D (chanel-waveguides, micro-résonateurs) ou des structures 3D plus complexes. C’est ainsi qu’à l’échelle micro et nano, le domaine de l’optique s’intéresse de plus en plus à ces matériaux photosensibles pour réaliser des éléments optiques réfractifs et diffractifs tels que des réseaux de diffraction, des microlentilles, des guides d’onde, des diviseurs d’intensité, des coupleurs directionnels, des interféromètres de Mach-Zehnder,… Les méthodes employées sont essentiellement des méthodes photolithographiques classiques. Des procédés alternatifs intéressants ont été développés qui permettent de simplifier l’intégration des microéléments optiques. Citons la propagation auto-guidée (self-guiding). Une application de ce procédé concerne la photopolymérisation de formulation photosensible en sortie de fibre optique. Elle a récemment permis la réalisation de microlentille auto alignée avec le cœur de la fibre, de sonde à ouverture pour le SNOM, de micro-sondes, qui après fonctionnalisation, peuvent jouer le rôle de capteurs bio-chimiques. Le recours à la photopolymérisation multi-photonique permet d’envisager la fabrication de circuits optiques à 3D, en augmentant ainsi l’intégration. Cette technologie a également permis de fabriquer des éléments complexes comme des cristaux photoniques, ou divers micro-éléments optiques diffractifs. Le domaine du stockage optique d'informations constitue un autre domaine d’application des photopolymères. La matrice photopolymère peut constituer un matériau hôte passif accueillant des systèmes photocommutables (dopage par des nanoparticules à propriétés photochromiques ou à transition de spin). Dans d’autres cas, la modulation d’indice de réfraction induite par la réaction de photopolymérisation, accompagnée d’éventuels phénomènes de démixtion, diffusion. De tels matériaux sont utilisés dans des produits commercialisés (In Phase). Un des challenges actuels est de contrôler les phénomènes photo-induits à des échelles de plus en plus petites de façon à limiter la transformation photochimique à un volume restreint de l’espace tout en induisant une modification suffisante des propriétés physiques ou chimiques qui permettent une discrimination entre les zones irradiées ou non. Une voie consiste à utiliser les outils issus de l’industrie de la microélectronique (en particulier la lithographie DUV à 193 nm). Le recours à la lithographie électronique ou RX permet d’obtenir des résolutions nanométriques dans des résines négatives ou positives. Les applications en optique visent principalement la fabrication de nanoobjets, ou de matrices de nano-objets. Dans ce cas, le photopolymère peut constituer un matériau sacrificiel servant de moule pour produire des nanostructures métalliques (dépôt métal + lift-off ). Des réseaux en matériau diélectrique (polymère ou hybride) de pas nanométrique présentent également un fort intérêt pour obtenir des capteurs optiques ou des surfaces polarisantes (écrans plats). Dans ce dernier cas, un des chalenges consiste à pouvoir graver des nanostructures sur des surfaces importantes (typiquement 100 nm sur 1 m²).

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Ces méthodes de nano-fabrication classiques sont complétées par des méthodes champ proche optique. Le contrôle d’une transformation photo-induite à l’échelle nanométrique par des techniques de champ proche optique permet d’envisager par voie bottom-up la fabrication de nanoobjets polymères ou de surfaces nanostructurées pour l’optique (stockage optique de l’information, nanocapteurs,…). La photopolymérisation assistée par plasmon de surface localisé a montré la possibilité de réaliser des nanoparticules hybrides polymère / métal présentant des propriétés optiques particulièrement intéressantes, le spectre d’extinction de la particule hybride dépendant de l’angle entre la direction de polarisation et le grand axe de la particule. La spectroscopie Raman exaltée de surface pourrait utiliser ces particules hybrides pour réaliser des substrats accordables en longueur d’onde. Enfin, une tendance actuelle extrêmement prometteuse consiste à mélanger des techniques top-down et bottom-up. Le but est l’adressage collectif de nano –objets, condition sine qua non pour intégrer ces nano-objets (NPM, CNT, QD), dans des dispositifs.

5.5.3 Les principaux défis

Les principaux enjeux de société semblent se situer dans le domaine de l'énergie (photovoltaïque), la biologie (biomédical) et les technologies de l'information (stockage d'information, communications optiques, dispositifs opto-électroniques et affichage). Ces enjeux consistent à développer de nouveaux matériaux apportant de nouvelles fonctions et les nouveaux procédés de mise en œuvre associés. En parallèle de ces applications très avancées, le développement de procédés « bas-coûts » est également important. Ces avancées passent par 1/ un travail de R&D en design moléculaire et synthèse, 2/ la compréhension du lien entre architecture moléculaire et réponse du matériau et 3/ le développement de stratégies astucieuses de mise en œuvre. Parmi ces méthodes de process, la mise en œuvre de matériaux polymère ou hybrides, pour fabriquer des objets 2- ou 3-D, avec un contrôle à l'échelle nanoscopique de la structure constitue un défi considérable. Le développement de méthodes combinant approche top-down et bottom-up est une voie privilégiée.

5.5.4 Principaux événements nationaux et internationaux

• Conférences dans le domaine de l’optique : - Nombreuses sessions dans les conférences SPIE PHOTONICS (couvre des aspects matériaux et applications), EOS, JNOG, etc… - Conférences dédiées matériaux (MRS, E-MRS, etc…) et polymère (MACRO, EPF) - Conférences dédiées micro-nano-fabrication

• Internationale = EIPBN - Europe = MNE - France = JNTE, (une initiative à développer)

5.5.5 Principaux acteurs académiques nationaux

• Impliqués très directement dans l'utilisation de polymères pour l'optique : IPCMS Strasbourg, POMA Angers, ENS Cachan , ECPM Strasbourg, INSA Lyon, ICD / LNIO Troyes,...

• Labos de chimie des photopolymères : DPG Mulhouse, Université Clermont, ENS Cachan

5.5.6 Industriels potentiels

• Optique : SGR, Jobin-Yvon • Matériaux : Arkema, BASF • Start-up : Lovalite

5.6 Les boîtes quantiques colloïdales ; un matériau aux multiples facettes

5.6.1 Périmètre

L’observation visuelle de boîtes quantiques colloïdales (quantum dots ou QDs) de tailles différentes offre une manifestation macroscopique d'effets de confinements quantiques. Lorsqu’ils sont illuminés avec de la lumière UV, les solutions de nanocristaux brillent avec des couleurs différentes, directement liées à la taille des nanoparticules. Cette illustration impressionnante de la mécanique

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quantique est le résultat de nombreuses années de recherche en chimie de synthèse de nanoparticules, motivées par les développements technologiques prometteurs avec des matériaux à base de QDs. A l’heure actuelle, l’application la plus aboutie de l’utilisation des QD est celle de sonde fluorescente pour l’imagerie biomédicale. Après la première preuve de principe en 1998, ce concept a été développé activement et arrive maintenant à une certaine maturité grâce à un meilleur contrôle de la synthèse des QDs avec notamment des structures cœur/coquille avec des coquilles épaisses qui permettent de s’affranchir presque totalement du phénomène de clignotement observé jusqu'à présent de façon quasi universelle avec tous les fluorophores. La chimie de surface des nanoparticules continue à être étudiée très activement et modifiée pour cibler ces nanoparticules, les rendre moins toxiques et plus furtives. Des synthèses récentes permettent d’avoir des QDs ne contenant plus de métaux lourds et donc moins toxiques a priori. Ces efforts de recherche devraient permettre de déboucher sur des sondes multimodales, intelligentes, et de donner accès à des marqueurs intéressants pour l’imagerie in vivo. Les composants optoélectroniques, comme les diodes électroluminescentes (DEL) les photovoltaïques ou les lasers, constituent un domaine plus traditionnel d’application des semiconducteurs. La nature colloïdale des QDs ouvre la voie à la fabrication peu chère et à grande échelle de films fins de semiconducteurs par des méthodes d’impression ou d’évaporation. Toute la difficulté ici consiste à combiner les bonnes propriétés optiques des QDs avec les propriétés électroniques également excellentes. Beaucoup de progrès sont effectués dans le domaine, avec notamment l’apparition des premières DEL à base de QDs complètement inorganiques. L’utilisation des QDs dans le domaine de l’énergie solaire constitue un autre type d’applications qui a reçu récemment beaucoup d’attention avec la recherche active de source d’énergie dite verte. Dans ce domaine, il est possible que l’aspect « boîte quantique colloïdale » ait plusieurs avantages. La possibilité de choisir la taille des QDs devrait permettre de régler finement l’absorption de la bande interdite pour qu’elle reproduise celle du spectre solaire. D’autre part, certaines équipes ont montré qu’il était possible d’extraire l’énergie des photons de basse longueur d’onde ce qui devrait permettre de repousser la limite de conversion des cellules photovoltaïques. Enfin, des techniques de synthèse très récentes montrent qu’il est possible de synthétiser des plaquettes de semiconducteurs avec une épaisseur contrôlée à l’atome près. Ces films ultrafins colloïdaux, puits quantiques parfaits, pourraient remplacer avantageusement les films déposés par MBE ou MOCVD. Un autre domaine d’application des QDs en tant que matériaux optiques est l’infra rouge. Si dans le visible les QDs sont en compétition avec les fluorophores organiques dont le rendement quantique peut être proche de 100%, dans l’infrarouge, autour de 1 µm, ce rendement n’est plus que de quelques pourcents. Au delà de 2µm, aucune fluorescence n’est détectable. Au contraire, des QDs avec une bande interdite dans l’infrarouge comme le PbSe sont d’excellents émetteurs dans l’infrarouge et pourraient être utilisés dans les communications terre/satellites à travers l’atmosphère dont les fenêtres de transparence sont 3-5 µm et 8-10 µm.

5.6.2 Perspectives scientifiques, défis

Dans le domaine de l’imagerie biomédicale, les défis sont : • Synthétiser des QD à base de matériaux non toxiques • Trouver une chimie de surface permettant de cibler in vivo avec des tailles < 10nm • Synthétiser des QDs émettant entre 700nm et 1100nm • Faire des sondes « intelligentes » i.e. dont une propriété au moins change lorsqu’elles

trouvent leur cible. Dans le domaine de l’optoélectronique :

• Optimiser les LEDs toutes inorganiques fabriquées à partir de QDs colloïdaux • Optimiser les cellules photovoltaïques fabriquées à partir de QD colloïdaux. • Laser à partir de QDs

Au niveau fondamental :

• Beaucoup reste à faire dans la compréhension et la maîtrise des synthèses de QD

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• L’étude des propriétés physico-chimiques des particules nouvellement synthétisées reste fondamentale. Quelques questions intéressantes sont : y-a-t-il génération de multiexciton par thermalisation dans les QDs ? Peut-on régler à façon le temps de recombinaison Auger dans les QDs cœur/coquille ? Les plaquettes de QDs peuvent-elles être un ersatz aux films ultrafins de semiconducteurs ?

5.6.3 Programmes nationaux et positionnement international

• Programmes nationaux : AAP ANR P2N, blanc,… • Evènements nationaux, GDR : Nombreuses conférences sur les applications des QDs

notamment pour l’imagerie biomédicale. • Evénements internationaux : Gordon conférences (tous les deux ans aux USA). NANAX (tous

les deux ans en Europe)


Communauté académique : Institut Néel, CEA INAC, Université de Versailles, LKB / ENS Paris VI, INSP (Paris VI)…

5.7 Cristaux pour l’optique et les lasers

5.7.1 Périmètre

Les cristaux pour l’optique et les lasers sont soit des cristaux luminescents dopés ou non par des ions optiquement actifs, soit des cristaux à forte susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 ou 3. Ils peuvent être aussi l’un et l’autre ; on parle alors de matériaux bi-fonctionnels.

5.7.2 Les cristaux luminescents

Les cristaux luminescents sont presque tous des cristaux inorganiques diélectriques ou semiconducteurs dopés par des ions de terres rares trivalents tels que les ions Ce3+, Nd3+ ou Yb3+ ou des ions de métaux de transition du groupe du fer à l’état di-, tri- ou tétra-valent tels que les ions Cr2+, Cr3+, Ti3+ ou Cr4+. Bien qu’on puisse classer ces matériaux de différentes manières, par exemple suivant leurs domaines d’émission, leurs modes de fonctionnement ou leur utilisation, il parait préférable de les classer par domaine de longueurs d’onde accessibles, et si on parle ni des semiconducteurs à grand-gap (non-dopés par des ions actifs), qui font l’objet d’une présentation à part (voir paragraphe correspondant), ni des matériaux diélectriques vitreux (fluorures, oxydes et chalcogénures), lesquels sortent de cette présentation dédiée aux monocristaux, on trouve les grandes familles de matériaux suivantes :

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• Les cristaux diélectriques émetteurs de lumière

o Il s’agit des cristaux émetteurs UV-visible pour les scintillateurs et lasers UV ou multi-couleurs Bleu, Vert, Rouge. Dans le cas des émetteurs bleu-UV il s’agit principalement de cristaux à « grand-gap » (jusqu’à environ 12 eV) dopés ou non par l’ion Ce3+, dont, pour les plus importants :

o Li(Y ou Lu)F4 :Ce3+, Li(Ca ou Sr)AlF6:Ce3+ émetteurs de lumière laser accordable dans le proche UV (entre environ 280 et 330 nm)

o BaF2 (émission à 295 et 310 nm), LaCl3 ;Ce3+ et LaBr3 :Ce3+ (émissions vers 350-380 nm), CsI pur (émetteur à 315 nm), CsI :Na et CsI :Tl (émetteur vers 420 nm), LSO (Lu2SiO5) :Ce3+, LYSO (Lu1.8Y.2SiO5) :Ce3+ et LPS (Lu2Si2O7) :Ce3+ (émissions vers 440 nm), YAP (YAlO3) :Ce3+ (émission vers 400nm), PbWO4, CdWO4 (émissions vers 475 nm), tous en tant que scintillateurs rapides.

o Pour les émetteurs vert-rouge, il s’agit du même type de cristaux dopés par l’ion Ce3+ mais surtout par les ions Er3+ et Pr3+, à savoir : BGO (Bi3Ge4O12) et YAG (Y3Al5O12) :Ce3+ (scintillateurs autour de 500nm), YAP (YAlO3), Li(Y ou Lu)F4, KY3F10, BaY2F8 dopés par les ions Er3+ ou Pr3+ (émetteurs laser autour de 550, 610 et 640 nm)

• Les mêmes fluorures que précédemment, en particulier la colquirite LiCaAlF6, et certains oxydes tels que le grenat GSGG (GdGa3Sc2O12) dopés par l’ion de transition Cr3+, ou encore l’alumine Al2O3 (improprement dénommée « saphir ») dopée par l’ion Ti3+, pour des rayonnements lasers très largement accordables ou à impulsions ultra-brèves (quelques cycles lumineux) dans le proche-infrarouge (entre 600 et 1100 nm).

• De nombreux oxydes dont (pour les plus importants aujourd’hui) les grenats tels que YAG (Y3Al5O12), les vanadates et les tungstates tels que YVO4 et KGW (KGd(WO4)2), dopés par l’ion Nd3+ mais surtout, de plus en plus, ces mêmes oxydes ainsi que la fluoro-apatite SFAP (Sr5(PO4)3F), les sesquioxydes (Y,Lu ou Sc)2O3 et la fluorine CaF2, dopés par l’ion Yb3+ pour la génération de rayonnements laser de plus en plus puissants, accordables en longueurs d’onde et/ou à impulsions brèves, dans le domaine du proche-infrarouge (entre environ 1000 et 1100 nm).

• De nouveau des fluorures et des oxydes tels que LiYF4 ou YAG dopés par l’ion Tm3+ mais surtout des chalcogénures tels ZnSe et CdSe dopés par l’ion Cr2+ (voire Fe2+) pour la génération de rayonnements laser très largement accordables et/ou à impulsions brèves dans le moyen-infrarouge, entre environ 1.8 et 3 µm - sachant que de nombreux systèmes (chlorures, bromures, chalcogénures dopés par les ions de terres-rares Pr3+, Dy3+ ou Er3+) sont en cours d’étude pour accéder à des rayonnements laser de plus grandes longueurs d’onde, en particulier dans les fenêtres de transmission de l’atmosphère dites bandes II et III, situées respectivement entre 3 et 5 et entre 8 et 10 µm.

5.7.3 Les cristaux à forte susceptibilité diélectrique

Les cristaux à forte susceptibilité diélectrique d’ordre 2 ou 3 et/ou à propriétés (piezo, acousto-, electro-optiques) intrinsèques remarquables sont également pour la plupart des cristaux inorganiques (diélectriques ou semiconducteurs) mais certains cristaux organiques présentent aussi des spécificités intéressantes. Tous ces cristaux sont étudiés et développés (i) pour le mélange et la conversion de fréquences de rayonnements laser afin d’accéder à des domaines de longueurs d’onde allant du proche UV au domaine THz non accessibles en particulier avec les sources laser pré-citées, et (ii) pour la manipulation spatiale et temporelle de ces mêmes faisceaux. On peut classer ces cristaux dits « non-linéaires » en plusieurs familles :

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• Cristaux à « grand gap » (autres que semi-conducteurs) pour les domaines UV, visible et proche-infrarouge

• Borates : �BBO (BaB2O4), BiBO (BiB3O6), LBO (LiB3O5), YCOB (YCa4O(BO3)3), GdCOB (GdCa4O(BO3)3), CLBO (CsLiB6O10), KABO (K2Al2B2O7), KBBF (KBe2BO3F2) pour la conversion de fréquence vers l’UV et le VUV (UV du vide)

o Phosphates : KDP (KH2PO4), KTP (KTiOPO4) , RTP (RbTiOPO4), KTA (KTiOAsO4) pour la conversion de fréquence dans le visible et le proche-UV

o Niobates, tantalates et iodates : LiNbO3, KNbO3, LiTaO3, liIO3, SBN (SrxBa1-xNb2O6) pour la modulation spatio-temporelle de faisceaux (optique intégrée)

o Tungstates and nitrates: BaWO4, SrWO4, KGW (KGd(WO4)2), Ba(NO3)2 pour le décalage Raman

• Cristaux semi-conducteurs (surtout pour la conversion de fréquence et les OPOs dans le proche et moyen infrarouge)

• Eléments III-V : GaN et GaAs principalement (quasi-accord de phase - QPM)

• Chalcopyrites : ZnGeP2, AgGaSe2, CdSiP2, AgGaS2, AgGa1-xInxSe2, CdGeAs2, CdSe

• Certains Cristaux organiques dont le DAST (dimethylamino)-N-methyl-4-stilbazolium tosylate) pour la génération de rayonnement THz

5.7.4 Perspectives scientifiques, défis

Les défis présentés dans le domaine des cristaux pour l’optique et les lasers se posent aujourd’hui en termes de domaines de longueurs d’onde, d’efficacité et de robustesse, de dimensionnement et de mis en forme et bien sûr, ce qui est sous-jacent, en terme de qualité optique et de reproductibilité de fabrication. Ces cristaux font tous souvent l’objet d’études très fondamentales mais la plupart sont élaborés et caractérisés pour une application bien précise. Pour un grand nombre de matériaux, un des principaux défis est de repousser leur front d’absorption aux grandes et surtout aux courtes longueurs d’onde. S’il existe en effet des limites intrinsèques à chaque type de matériau diélectrique ou semi-conducteur, ces limites ne sont parfois pas atteintes (voire même inconnues) pour de multiples raisons tenant à la fois à la pureté des produits de départ comme aux techniques de synthèse et de croissance des composés. Si on prend pour exemple les cristaux non-linéaires pour la conversion de fréquence dans l’ultraviolet comme dans le moyen infrarouge, on retrouve ainsi la même problématique, quoique dans des domaines de longueurs d’onde différents. Il est en effet très important, par exemple, pour de multiples besoins (photolithographie, micro-usinage, chirurgie, photochimie, …) de remplacer les sources lasers à excimères (ArF, KrF, XeCl, …) utilisées aujourd’hui dans le proche UV par des sources lasers tout-solide à la fois compactes, efficaces et présentant une meilleure qualité de faisceau. Un tel développement nécessite ainsi de trouver et d’élaborer des cristaux non-linéaires qui permettent d’atteindre les mêmes domaines de longueurs d’onde (jusqu’à environ 160 nm) en les associant avec des sources lasers à solides visibles ou infrarouges déjà bien maîtrisées. Pour cela, de nombreux travaux sont effectués de par le monde, en France comme à l’étranger (surtout au Japon et en Russie), non seulement pour améliorer la qualité des composés déjà identifiés, tels que les borates BBO et LBO et le fluoroborate KBBF, mais aussi d’en découvrir de nouveaux avec des coefficients non-linéaires plus élevés. La situation est analogue en ce qui concerne les cristaux non-linéaires pour le moyen-infrarouge (bandes de transmission II et III de l’atmosphère), le challenge étant de pouvoir les utiliser avec des sources lasers standards tels que des lasers à solides dopés Nd3+ ou Yb3+ pompés par diodes et émettant vers 1 µm. Or aujourd’hui, le front d’absorption dû aux défauts dans les cristaux les plus performants en terme de coefficient non-linéaire tel que ZGP ne sont transparents qu’au delà de 2 µm, ce qui oblige à utiliser des sources lasers à solides dopés Tm3+ ou Ho3+ émettant au delà de 2 µm, sources lasers certes efficaces mais moins standards que les sources à 1µm. Là encore, de nombreux laboratoires travaillent à l’amélioration de la qualité de ces cristaux ainsi qu’à la recherche de nouveaux composés. Tel est le cas de CdSiP2, lequel présente une absorption beaucoup plus faible à 1 µm que celle de ZGP mais, en contrepartie, une absorption nettement plus importante au delà de 6,5 µm, risquant de limiter l’utilisation de ce matériau à la bande II. Signalons aussi pour les mêmes raisons, l’intérêt grandissant du semi-conducteur GaAs dont la transparence (entre 1 et 12

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µm) et le coefficient non-linéaire d’ordre 2 très élevé (94 pm/V) suscitent aujourd’hui les plus grands espoirs (grâce en particulier à une utilisation dite en « Quasi-accord de phase » ou QPM). Un second défi réside dans l’obtention de longueurs d’onde laser « critiques ». Outre les domaines UV et moyen-infrarouge mentionnés précédemment et qui sont susceptibles d’être couverts à l’aide de systèmes dits « paramétriques » consistant en l’association de sources lasers à solides standards émettant autour de 1 µm et de cristaux non-linéaires appropriés, il faut signaler également deux autres domaines de longueurs très activement étudiés aujourd’hui : le domaine Rouge-Vert-Bleu pour la video-projection miniature ou sur écran géant et le domaine THz pour l’imagerie médicale et la sécurité civile. Ces domaines sont étudiés aujourd’hui en utilisant différentes approches. Le domaine Rouge-Vert-Bleu nécessite des sources laser autour de 615-645 nm, 520-550 nm et 435-465 nm. Signalons ici l’existence de ce qu’il est maintenant convenu d’appeler le « Green-Gap », domaine de longueurs d’onde compris entre environ 510 et 580 nm pour lequel il n’existe encore aucune diode laser à semi-conducteur fonctionnant à température ambiante avec une puissance utilisable. S’il s’agit alors de développer des sources de très forte puissance, la solution préconisée est celle de sources lasers à solides dopés par des ions Nd3+ ou Yb3+ telles que celles mentionnées précédemment doublées en fréquence à l’aide de cristaux non-linéaires tels que BBO, LBO ou BiBO, ou d’OPOs (Oscillateurs Paramétriques Optiques) à base de cristaux non-linéaires à « domaines périodiquement alternés » tels que le PPLN (Periodically poled LiNbO3). S’il s’agit par contre de systèmes miniatures tels qu’un téléphone portable, il faut faire appel à des cristaux fluorés tels que LiYF4 dopés par les ions Er3+ ou Pr3+, pour le vert et le rouge, et aux nouvelles diodes laser à base d’InGaN pour le bleu et pour le pompage optique. Des sources de puissance et d’encombrement intermédiaires pourraient être également développées par doublage intra-cavité de lasers à semi-conducteurs infrarouges pompés optiquement (Optically-Pumped Semiconductor Lasers, OPSL). En ce qui concerne le domaine THz, domaine correspondant à des longueurs d’onde comprises entre environ 20 et 200 µm, plusieurs voies sont là encore explorées dont (i) les diodes laser à multi-puits et à cascade quantique (lesquelles ne fonctionnent pas encore à température ambiante au delà de 15 µm), (ii) la différence de fréquence au sein ou à l’extérieur d’OPOs à base de cristaux non-linéaires à périodes alternées (PPLN, PPKTP par exemple) et dans des cristaux non-linéaires transparents dans le domaine de longueurs d’onde THz considéré tels que le semiconducteur GaAs ou le matériau organique DAST. Le troisième défi tient, pour certaines applications de masse ou pour de grandes installations, à notre capacité de fabriquer des cristaux de grande taille, en quantité suffisante et/ou en un temps raisonnable, tout en gardant une qualité optimale. De nombreuses entreprises fabriquent et commercialisent aujourd’hui des scintillateurs tels que LSO en très grande quantité pour les besoins de l’imagerie médicale et la détection de tumeurs cancéreuses par Tomographie à Emission de Positons (TEP). Une multitude de cristaux scintillateurs toujours plus performants et moins coûteux sont également nécessaires pour les besoins de la physique des hautes énergies, de la géophysique et de la sécurité. L’installation du calorimètre électromagnétique du CERN, par exemple, a nécessité la fabrication en Russie et en Chine de près de 76000 cristaux (scintillateurs) de PbWO4, ce qui a pris près de 14 ans. Dans le même ordre d’idée, signalons également les nombreux programmes visant au développement de certains cristaux pour les oscillateurs lasers, les amplificateurs et les convertisseurs de fréquence devant équiper les futures chaînes laser de très forte puissance, lesquelles doivent être utilisées in fine pour de multiples applications civiles et militaires reposant par exemple sur la production de rayons X, l’accélération et la production de particules ou la simulation de réactions nucléaires. Sachant qu’au niveau mondial, comme au niveau national et européen, aucune solution universelle n’a été et sera probablement trouvée, il faut pouvoir faire face à de nombreuses demandes. Les cristaux utilisés pour les oscillateurs sont et seront très probablement de plus en plus des cristaux dopés par l’ion Yb3+ et pompés par diodes, et ces cristaux se présenteront sous la forme de barreaux, de plaques ou de disques. Plusieurs solutions sont ou seront adoptées par contre pour les amplificateurs. La première consiste à utiliser le même type de cristaux dopés Yb3+ que pour les oscillateurs. Si il s’agit d’amplification d’impulsions brèves sub-picosecondes, peu de matériaux, excepté CaF2 :Yb3+, peuvent être fabriqués en très grande dimension (jusqu’à 30 cm de diamètre) et à un coût réduit, tout en ayant les propriétés optiques, spectroscopiques et thermo-mécaniques

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désirées. Un programme ambitieux est donc en gestation aujourd’hui au niveau national et européen pour développer ce type de système. La seconde solution repose sur l’utilisation de cristaux de « Ti-Saphir » (amplification « classique ») ou de cristaux non-linéaires tels que LBO (amplification paramétrique de type OPCPA) pompés par des lasers à solides dopés Nd3+ ou Yb3+ et doublés en fréquence. Là encore, des programmes de fabrication et de validation de cristaux géants sont en cours de développement en France et en Europe. C’est le cas du Ti-Saphir ou des cristaux de KDP deutéré (DKDP), matériau stratégique pour le LMJ (Laser MégaJoule), qui ne sont fabriqués aujourd’hui avec la qualité et les dimensions (cristaux de DKDP de 300kgs par exemple) suffisantes qu’aux USA. Il faut signaler aussi que de gros efforts sont également faits pour préparer ou pour structurer des cristaux à l’échelle micro- voire nano-métrique, à la fois pour les rendre plus compacts, mais aussi pour en améliorer les conditions de fonctionnement ou pour exacerber certaines de leurs propriétés. C’est le cas des fibres cristallines obtenues à l’aide des techniques dites LHPG (Laser Heat Pedestal Growth) ou micro-pulling-down (µPD), des couches épaisses à l’aide de la technique d’épitaxie en phase liquide (LPE), ou des cristaux non-linéaires à domaines alternés déjà cités tels que PPLN, PPKTP, ppGaN ou ppGaAs. Notons enfin que si la priorité est donnée aujourd’hui aux monocristaux minéraux, une évolution se fait sentir néanmoins, pour certaines applications vers les poly- et les nano-cristaux, les céramiques transparentes et les cristaux organiques. Certaines céramiques transparentes dopées par des ions de terres rares sont déjà susceptibles en effet de remplacer les plaques de verre dopés Nd3+ entrant dans la composition des gros amplificateurs des chaînes laser de puissance et d’en augmenter les cadences de fonctionnement.


• Programmes nationaux ANR : AAP blanc – AAP PNANO - AAP MATetPro – Energie Durable et Environnement

• Evénements nationaux, GDR, réseaux : Réseau technologique CMDO+ (http://cmdo.cnrs.fr/). Le réseau CMDO+ collabore avec 3 autres réseaux : le réseau CRISTECH (http://cristech.cnrs.fr/) qui est un réseau plus particulièrement concerné par les techniques de croissance des cristaux, le réseau LASUR qui est plus concerné par les systèmes et les applications des sources laser à impulsions ultra-brèves (http://www.lasur-femto.cnrs.fr/) et le réseau ROP (http://www.rop.cnrs.fr/), le but de ce « Réseau Optique et Photonique » étant de réunir les opticiens de précision travaillant en particulier pour les grandes installations.


De nombreuses conférences sont dédiées aux matériaux pour l’Optique et les lasers, et les cristaux, qu’ils soient sous la forme de cristaux massifs, de fibres monocristallines ou de couches épaisses y ont une place très importante. Il s’agit pour les plus importantes de :

• CLEO (Conference on Lasers and Electro-Optics) avec en particulier tous les ans depuis une dizaine d’année CLEO’Europ (ou CLEO Munich) mais aussi CLEO Pacific

• PHOTONICS WEST • ASSP (Advanced Solid State Photonics), ex ASSL (Advanced Solid State Lasers) • EUROPHOTON, dont les deux dernières manifestations (Pise et Paris) ont été co-présidées

par des membres du réseau CMDO+ • MICS (Mid-Infrared Coherent Sources) • ICL (International Conference of Luminescence)

Programmes européens :

- HiPER (High Power laser Energy Research) destiné à faire la démonstration de la fusion nucléaire assistée par laser en tant que source d’énergie future, - ELI (ILE) (Extreme Light Infrastructure) pour ouvrir la voie de l’optique ultra-relativiste, avec des ramifications en physique des particules, physique nucléaire, astrophysique et cosmologie.

5.7.7 Recensement de communautés

• Communauté académique nationale

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- Cristaux scintillateurs : ICMCB (Bordeaux), IPNL (Lyon), LCMCP-ENSCP (Paris), LPCML (Lyon) - Cristaux luminescents pour Lasers à Solides :

* UV/Visible : CIMAP-MIL (Caen), LCFIO (Palaiseau), LPCML (Lyon) * Proche IR: CESTA (Bordeaux), CIMAP-MIL (Caen), CPMOH (Bordeaux), ICMCB (Bordeaux), Inst. Fresnel (Marseille), IPR (Rennes), LCFIO (Palaiseau), LMOPS (Metz), LOA (Palaiseau), LP3 (Marseille), LPMC (Nice), LPN (Marcoussis), LULI (Palaiseau), LPCML (Lyon), * Moyen IR: CIMAP-MIL (Caen), GEMaC (Meudon), INSP (Paris), ISL (St Louis), ONERA (Chatillon),

- Cristaux et systèmes non-linéaires : * UV/Visible : CESTA (Bordeaux), CRHEA (Nice) Institut Néel (Grenoble), LAC (Orsay), LCFIO (Palaiseau), LMOPS (Metz), LPMC (Nice), LOA (Palaiseau), LULI (Palaiseau) * Proche et Moyen-IR : CPMOH (Bordeaux), GEMaC (Meudon), ICB (Dijon), Institut Néel (Grenoble), INSP (Paris), IPR (Rennes), ISL (St Louis), LMOPS (Metz), LOPMD (Besançon), LP3 (Marseille), LPMC (Nice), LPN (Marcoussis), LPCML (Lyon), ONERA (Chatillon) * THz : IPR (Rennes), MPQ (Paris)

• Communauté industrielle nationale

En France, à part Saint-Gobain Cristaux et Détecteurs et Thales, le secteur des cristaux pour l’optique et les lasers est constitué essentiellement de petites entreprises qui fabriquent et fournissent (i) les produits et équipements de cristallogenèse, (ii) certains cristaux, (iii) les dispositifs utilisant ces cristaux Entreprises françaises concernées par les cristaux pour l’optique : - Produits et Equipements : Cyberstar, CELES, AET, MPA industrie, EFD Induction, TIV, Baikowski,

Carbone-Lorraine, PRESI, Lamplan - Fabrication : St Gobain Cristaux&Détecteurs, RSA, Cristal-Laser, SOREM, FiberCryst, Thales,

SOITec, InPACT, NovaSiC, Acerde, Xenocs - Dispositifs : Thales, Quantel, Amplitude, Cilas, Teem Photonics, Eolite, Oxxius, Beamind, ST

microelectronics, Photowatt Inc., Apollo Solar, Sofradir, Alpsitec

5.8 Les nanotubes de carbone

5.8.1 Périmètre et contexte

Les nanotubes de carbone (CNT) ont été découverts en 1991, mais l'étude de leurs propriétés optiques a démarré lentement en raison de difficultés techniques pour obtenir des effets intrinsèques. En effet, les nanotubes monoparoi (les plus étudiés dans ce domaine) sont constitués exclusivement d'atomes de surface et interagissent très fortement avec leur environnement. Les méthodes de synthèse usuelles (arc électrique, ablation laser et surtout CVD (chemical vapor deposition) produisent en effet des mélanges de nanotubes semi-conducteurs (gap direct inversement proportionnel au diamètre) et métalliques dans une proportion 2:1. Les nanotubes ont une très forte tendance à s'agréger en cordes contenant jusqu'à plusieurs dizaines de tubes à l'intérieur desquelles le couplage entre tubes est très efficace. Cette caractéristique conduit notamment à une puissante inhibition de la luminescence des nanotubes semi-conducteurs y compris à basse température et à une détérioration des autres propriétés optiques. Ce verrou technologique a été levé au début des années 2000 par la mise au point de diverses méthodes de séparation et d'isolation des nanotubes. Les plus répandues actuellement sont :

• les méthodes physico-chimiques (les cordes de nanotubes sont brisées par des ultra-sons et les nanotubes individuels sont stabilisés en suspension par des surfactants) qui permettent une incorporation ultérieure dans diverses matrices (matériaux composites),

• les méthodes physiques, limitées pour le moment aux dispositifs à nanotube unique (croissance sur plot nanométrique d'un NT individuel).

Cette avancée technologique a suscité un très fort développement des études optiques des CNTs impliquant maintenant plus d'une centaine d'équipes à travers le monde. Les études académiques ont montré que les mécanismes intimes de l'interaction lumière-matière dans les CNTs sont dominés par

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l'existence d'excitons unidimensionnels très fortement liés (400~meV) y compris à température ambiante, qui vont conditionner les performances de la plupart des dispositifs opto-électroniques.

5.8.2 Perspectives et défis

• Échantillons La force et la faiblesse des CNTs est leur grande variété structurale (une variété étant nommée « classe de chiralité ») donnant lieu à une grande variété des propriétés physiques. Ceci permet d'envisager à terme un ajustement fin et contrôlé des propriétés physiques de chaque nano-objet en fonction de l'application souhaitée. Le Graal est la mise au point de méthodes de synthèse sélectives en chiralité. Divers groupes à travers le monde travaillent sur cet objectif ambitieux avec par exemple l'idée de créer par synthèse organique des « graines » de nanotubes de chiralité choisie, la CVD permettant alors de poursuivre la croissance du tube en conservant la structure cristallographique. Cependant, dans l'attente d'une croissance sélective dont la mise au point semble encore lointaine, on s'oriente actuellement vers des méthodes de tri post-croissance. Les plus efficaces sont à l'heure actuelle les méthodes d'ultra-centrifugation sur gradient de densité, qui produisent néanmoins de faibles volumes utiles avec des puretés (en une chiralité donnée) de l'ordre de 90 %. La maîtrise des échantillons reste un problème crucial pour le futur développement de la plupart des applications envisagées.

• Détecteurs de lumière Avec un gap accordable dans le proche infra-rouge, les CNTs disposent d'atouts intéressants dans le domaine de la photo-détection. On distingue les détecteurs quantiques où les photons absorbés génèrent directement des porteurs de charges et les détecteurs bolométriques où l'absorption de lumière conduit à une élévation de température qui est à la source du signal électrique généré. Ces derniers sont beaucoup moins exigeants en termes d'échantillons : on cherche en général une réponse spectrale plate c'est-à-dire pour les CNTs la présence d'un grand nombre de chiralités. Par ailleurs pour cette application, les tubes métalliques et semi-conducteurs jouent un rôle d'absorbant indifférencié et le tri n'est pas nécessaire. Ce détecteur, actuellement au stade de prototype de laboratoire semble démontrer un intérêt en terme de détectivité dans la gamme de l'infra-rouge moyen et lointain. Du côté des détecteurs quantiques, plusieurs démonstrations de photo-courant ont été publiées sur des transistors à effet de champ à tube unique ainsi que sur des dispositifs plus élaborés de type jonction p-n obtenus avec une double grille. Un comportement photovoltaïque a pu être observé avec un rendement allant jusqu'à 5%. D'un point de vue microscopique, la difficulté est que l'absorption de lumière génère des excitons fortement liés. Il faut les dissocier pour générer des porteurs libres et ce plus vite que la durée de vie excitonique qui est par ailleurs très brève (10-100ps). Cette dissociation semble s'effectuer essentiellement dans les champs électriques locaux présents au niveau des contacts (barrières Schottky), de manière assez mal contrôlée.

• Émission de lumière Des dispositifs similaires polarisés peuvent émettre de la lumière. Dans les dispositifs ambipolaires l'émission se fait par recombinaison électron-trou, mais l'émission de lumière a aussi été observée dans des dispositifs unipolaires; dans ce cas la génération d'excitons est due à l'ionisation par impact. Même si de gros progrès ont été réalisés en termes de rendement quantique, on reste dans la gamme des 10-4. L'origine de ce mauvais rendement quantique reste une question ouverte, même s'il a été établi que des effets de dopage par le substrat ou par réaction électrochimique avec l'oxygène de l'air jouent un rôle important. Il est à noter que de nouveaux dispositifs constitués non pas d'un tube unique mais d'un réseau aléatoire de nanotubes ont été développés récemment. Même si leurs performances restent encore modestes, leur facilité de fabrication (par rapport aux dispositifs à NT unique) les rend très attrayants pour de futures applications. L'émission de lumière peut aussi se faire suite à une excitation lumineuse (photoluminescence). En termes d'applications ce processus a deux intérêts. Il est un outil irremplaçable de diagnostic qui permet de déterminer de façon rapide et non invasive les indices chiraux d'un ou d'un ensemble de nanotubes. Cette application développée en 2002, a eu une forte répercussion sur les études fondamentales sur les CNTs, puisque la plupart était faite auparavant à l'aveuglette (sans connaître la nature exacte des NTs étudiés). L'autre domaine d'application de la photoluminescence concerne la biologie. En effet, les nanotubes fonctionnalisés peuvent être utilisés

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comme marqueurs fluorescents qui émettent dans une gamme de longueur d'onde correspondant à une relative transparence des tissus biologiques. Une des limitations importantes à ces applications reste le faible rendement quantique de photoluminescence (10% max) dont l'origine est encore débattue et renvoie aux études académiques très actives dans ce domaine.

• Matériaux hybrides Une voie prometteuse pour améliorer les performances des dispositifs opto-électroniques est de fonctionnaliser les nanotubes par des chromophores organiques. Pour des applications de type « light-harvesting » ou photo-voltaïque un transfert d'excitation efficace entre le chromophore (qui sert d'antenne) et le nanotube (récepteur) est recherché. Il a été démontré récemment dans le cadre de la fonctionnalisation non-covalente par des porphyrines notamment. Pour d'autres applications de type mémoires optiques, c'est le transfert de charge qui est recherché. Il permet par exemple de modifier l'état (bloqué ou passant) d'un photo-transistor par illumination optique.

• Matériaux pour l'optique non-linéaire Les CNTs sont étudiés depuis les années 90 pour leurs propriétés optiques non linéaires. En effet, pour des diamètres facilement obtenus en synthèse (autour de 1.2 nm), le gap des CNTs semi-conducteurs est dans la gamme télécoms (1.5µm). Les CNTs agrégés sous forme de films présentent des caractéristiques non-linéaires (intensité de saturation, profondeur de modulation et temps de réponse) tout à fait attrayantes. Ils sont étudiés pour des applications dans le domaine de l'amplification de signaux dans les répéteurs de fibres optiques (étape de « reshaping » de l'impulsion), ainsi que comme absorbants saturables pour provoquer le fonctionnement en modes bloqués de lasers impulsionnels fibrés. Pour ces applications aucun tri n'est nécessaire, ce qui facilite considérablement leur usage. Ces applications semblent très prometteuses et en sont au stade du prototype de laboratoire.


• Programmes nationaux : ANR : AAP blanc, AAP P2N • Événements nationaux : Le GDRI « nanotubes et graphène » • Évènements internationaux : la principale conférence annuelle est la conférence NT qui

accueille trois conférences satellites sur les applications à la biologie, la métrologie et les méthodes numériques liées à la modélisation des CNTs. Une conférence spécialisée sur les propriétés optiques des CNTs existe depuis 2005 : WONTON, biannuelle environ 100 participants dont la prochaine édition aura lieu en 2011 en France. Enfin, on peut citer ChemOnTubes, conférence dédiée à la fonctionnalisation des nanotubes dont on a vu certaines applications à l'opto-électronique dans les paragraphes précédents. Les propriétés optiques des nanotubes sont aussi régulièrement exposées dans des conférences plus classiques dédiées aux semi-conducteurs telles que ICPS, OECS ou ICSNN.


(La plupart des contacts sont recensés sur le site du GDRI : http://www.graphene-nanotubes.org/en/laboratories.html) Communauté académique : LCVN (Montpellier), ENS-LPA (Paris), ENS Cachan -LPQM (Cachan), CPMOH (Bordeaux), LAC (Orsay), IMN (Nantes), IEF (Orsay) Aspects appliqués : CEA-SPEC (Saclay), CEA (Grenoble), ONERA (Châtillon/Palaiseau), LCVN (Montpellier), INSA (Rennes), CORIA (Rouen), ENS Cachan (Cachan) PPSM

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6 . PROCEDES TECHNOLOGIQUES INNOVANTS

6.1 Périmètre

Cette contribution concerne essentiellement l’utilisation de sources lasers pour sonder, transformer et façonner la matière. L’utilisation de rayonnements incohérents, qui présente aussi de nombreuses applications, n’est pas ici considérée. Au milieu des années 60 lorsque le premier laser a été mis au point, il a été qualifié de « solution cherchant un problème » ; quelques décennies plus tard on peut mesurer combien cette assertion était erronée ! En effet, le monde des lasers ne cesse toujours pas de révolutionner la science et notre vie quotidienne, comme en témoigne le nombre de prix Nobel attribués à des Physiciens ou Chimistes pour leurs travaux sur les lasers ou ayant abouti grâce à leur utilisation, ainsi que la multitude des secteurs économiques où ils sont employés (médecine, microélectronique, télécommunication, défense, transports, agriculture, construction, arts, etc….). La variété des sources lasers disponibles aujourd’hui est très vaste allant de sources dites « Nanolasers » au LMJ, permettant d’émettre dans un domaine spectral allant des X à l’IR très lointain, avec des émissions continues jusqu’à des durées d’impulsion attosecondes et avec des intensités d’éclairement qui peuvent atteindre 1024 W/cm2 ; il serait donc présomptueux de vouloir aborder ici l’ensemble des procédés innovants que de telles sources permettent de développer ou d’envisager. L’interaction laser-matériaux à faible flux (I < 1014 W/cm2) est à la base de la plupart des procédés décrits dans ce chapitre. Dans ce domaine d’interaction les mécanismes mis en jeu sont extrêmement complexes. Modèles théoriques et expérimentations avancées doivent être encore développés pour mieux comprendre les phénomènes d’absorption de la lumière, la redistribution de l’énergie dans le matériau, les changements de phase transitoire, la formation du plasma et son expansion, la formation de nanoparticules, etc... En effet c’est l’accroissement de nos connaissances sur ces mécanismes qui permettra une meilleure maitrise des procédés qui restent encore très empiriques. Les nouvelles sources lasers permettent aujourd’hui d’aborder des domaines exploratoires tels que l’interaction action laser matière dans le domaine des rayons X et/ou IR lointain, l’irradiation laser avec des durées ultra-courtes (sub 10 fs à attoseconde), etc…, qui motiveront le développement de nouveaux matériaux, d’agrégats fonctionnalisés, de nouvelles propriétés de surface...

6.2 Les procédés de modification des propriétés d’un matériau sans enlèvement de matière

6.2.1 Dopage, Recuit, Cristallisation

Ces procédés interviennent essentiellement dans les domaines de la microélectronique et du photovoltaïque. Le principe est relativement simple et connu depuis des décennies. Il s’agit par un apport de chaleur de faire diffuser dans le matériau des dopants ou/et modifier la structure du matériau. Le matériau peut être massif ou aujourd’hui de plus en plus sous forme de couches minces. L’enjeu est de réaliser des traitements très localisés aussi bien en épaisseur qu’en dimensions latérales et/ou d’augmenter la concentration de dopants dans des zones très réduites (cas des jonctions ultra-minces). Des irradiations femtosecondes sous atmosphère contrôlée permettent d’atteindre des concentrations de dopants encore inimaginables il y a quelques années. De nouveaux régimes d’interaction laser-matière doivent être étudiés comme le régime dit « sub-melt » pour réaliser ces modifications sans endommager les substrats ou/et couches adjacentes. Une importante demande concerne les matériaux organiques sur supports souples. Longueur d’onde et durée d’impulsion sont combinées et adaptées suivant la nature des matériaux. La compréhension des mécanismes d’absorption de l’énergie lumineuse, puis de redistribution dans le matériau en liaison avec les propriétés recherchées pour ces nouveaux matériaux et/ou nouvelles structures complexes doit être améliorée.

6.2.2 Modification d’indice 2D et 3D

Cette thématique est en fort développement depuis quelques années grâce à la fiabilisation des sources lasers femtosecondes. Il s’agit de focaliser dans un matériau transparent un faisceau laser pour modifier localement l’indice du matériau afin de créer des guides d’onde pour des applications dans les télécommunications, la micro fluidique, les capteurs, les MEMS et MOEMS etc., mais aussi pour développer des nouvelles mémoires optiques à très fortes densités, du marquage pour la traçabilité (domaine pharmaceutique par exemple) et/ou la lutte contre la contrefaçon. Les variations d’indice atteintes couramment par ce procédé sont de l’ordre de 10-4 à 10-3 pour du verre et sont plus

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élevées pour des verres dopés ; les résolutions spatiales sont de l’ordre du micron. Il est à noter que la même source laser peut servir dans un équipement unique à modifier l’indice et, en augmentant l’intensité laser, à graver/usiner en 3 D un matériau ; il est ainsi possible de réaliser des composants complexes tels que des MEMS incluant des capteurs de positionnement en une seule étape, supprimant ainsi les problèmes complexes de repositionnement dans les chaînes comportant plusieurs étapes. L’aspect non-linéaire de l’interaction ultra-rapide permet aussi d’aller « corriger » localement l’indice de matériaux multicouche pour optimiser par exemple les performances des filtres optiques à bande très étroite.

6.3 Procédés de création de nouveaux matériaux

6.3.1 Films minces, films nano-structurés par PLD

Dans ce procédé, l’ablation laser est mise à profit pour réaliser des dépôts de couches minces et/ou de nanoagrégats. L’ablation laser est réalisée sous vide, gaz neutre ou réactif. Les lasers utilisés sont impulsionnels (ns, ps, fs) avec de longueurs allant de l’UV pour conserver la stœchiométrie du matériau à l’IR. La PLD (Pulsed Laser Deposition) est développée depuis maintenant de très nombreuses années (> 30 ans) et il est difficile de pouvoir énumérer la variété des matériaux ainsi déposés, aucune limitation de principe n’étant avancée. Les premières applications ont concerné le dépôt de films minces supraconducteurs présentant des stœchiométries très complexes, la réalisation de films de diamant-like sur supports métalliques, en passant par des films biocompatibles fonctionnalisés (couches pour prothèses). L’aspect impulsionnel permet un contrôle tir à tir de l’épaisseur du film déposé, des dopants peuvent être inclus par l’adjonction d’un gaz réactif, l’énergie cinétique des particules peut être contrôlée par l’intensité d’irradiation et la pression/nature du gaz environnant. Les films ainsi obtenus peuvent être cristallins ou amorphes. Ce procédé est bien développé dans les laboratoires pour sa grande flexibilité et facilité de mise en œuvre, mais reste limité à quelques niches industrielles principalement pour des problèmes de coût et de réalisation de très grandes surfaces homogènes avec des taux de production industriels.

6.3.2 Production de nano-agrégats fonctionnalisés en milieux gazeux ou liquide

En développant la technique de PLD pour la réalisation de films minces, les expérimentateurs ont constaté, grâce à l’augmentation de la résolution spatiale de leurs instruments de caractérisation, que dans certaines conditions expérimentales ces films étaient principalement constitués de nano-agrégats (début années 90). Très rapidement la technique de PLD a été ainsi étendue à la réalisation de nanoagrégats. Le principe est relativement simple : on irradie une cible à l’aide d’un laser impulsionnel sous atmosphère contrôlée afin de favoriser (trouver les bonnes conditions de pression, température, énergie cinétique des atomes, molécules, particules) la condensation des agrégats. On s’est alors aperçu qu’on pouvait relativement bien contrôler la distribution en taille des agrégats. Nano-agrégats de Si, SiO2, ZnO, étaient ainsi réalisés avec des propriétés électroniques et de photoluminescence contrôlées. Plus récemment cette technique s’est affinée en irradiant les cibles non plus sous atmosphère gazeuse, mais dans un liquide et principalement à l’aide de lasers femtoseconde. Ce procédé toujours en cours de développement permet la réalisation de nano-agrégats quasi mono-disperse et d’une très grande pureté comparée aux méthodes de production chimique. De plus, en cours de procédé la surface des agrégats présente une réactivité inconnue pour le même matériau sous forme massive. Cette dernière propriété ouvre la voie vers des possibilités de passivation, de greffage de molécules, de fonctionnalisation des nano-agrégats absolument inégalées. Les nano-objets directement produits en milieu liquide sont d’une très grande facilité d’emploi notamment par les biologistes. Les principales applications visées aujourd’hui par les chercheurs sont dans le domaine des sciences du vivant (traceurs, agents de contraste, PDT, traitement du cancer) mais en concernent bien d’autres (capteurs, optiques, micro-électroniques, etc.). Les agrégats réalisés sont de natures très diverses et concernent aussi bien les métaux (nobles, ferromagnétiques…) que les semi-conducteurs et les diélectriques. Les agrégats sous forme corps-enveloppe font bien entendu un axe de développement très important.

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6.4 Procédés de traitements de surface

Dans ces procédés, l’irradiation laser d’un matériau est utilisée pour contrôler, modifier, fonctionnaliser sa surface. Le principe est de nouveau simple : on joue sur les paramètres d’irradiation (longueur d’onde, durée d’impulsion, densité surfacique d’énergie, taux de recouvrement, polarisation, ….) et l’environnement du matériau (vide, atmosphère neutre ou réactive, pression, température, liquide, ….) pour créer de nouvelles propriétés de surface. La source laser est mise à profit pour engendrer des effets thermiques, de compression par ondes de choc, d’enlèvement de matière par ablation, etc. A titre d’exemple on citera le durcissement par choc laser ou par nitruration de surface (combinaison d’un effet thermique et d’incorporation d’azote par contrôle de la nature du gaz ambiant), l’amélioration du comportement tribologique des surfaces métalliques (modification de la composition chimique et de la topologie de la surface), modification des propriétés optiques (nano et micro-structuration) et du caractère hydrophobe de surfaces métalliques, semi-conductrices ou d’isolants. De nombreuses applications sont développées dans les secteurs de l’automobile, de l’aviation, de l’optique, du photovoltaïque, des capteurs, etc. Le nettoyage et la décontamination de surface par procédés photoniques est également un secteur de recherche très actif. Flashes intenses et lasers impulsionnels sont mis en œuvre. Ce procédé a vu un développement initial dans le secteur des monuments historiques, de la microélectronique et du nucléaire. Les principaux avantages sont : technique sans contact, sans déchet secondaire, et automatisation possible. Les défis actuels sont l’enlèvement de particules nanométriques, le contrôle précis des épaisseurs enlevées par des méthodes de spectroscopie, la récupération des produits d’ablation. Ce procédé est également employé dans le secteur de la biologie et de la santé pour aseptiser et décontaminer. Dans ce domaine du traitement de surfaces, un sujet connaît actuellement un engouement particulièrement important, il s’agit de la nano/micro structuration de surface par des structures nano et micrométriques auto-organisées (réseaux, vaguelettes, cônes, etc.) générées par ablation laser dans certaines conditions. En effet, bien qu’observées depuis plus de 40 ans sur de nombreux matériaux, leurs mécanismes de formation ne sont pas encore élucidés. Actuellement la structuration de couches minces à l'échelle micrométrique trouve des applications dans des secteurs très différents: citons par exemple la fabrication de bio-puces qui nécessite la réalisation de matrices de spots susceptibles de contenir divers composés (cellules, ADN, nanoparticules fonctionnalisées...) destinées à l’analyse de milieux ou à des applications médicales, ou encore la fabrication de composants électroniques organiques tels que les diodes électroluminescentes (OLED), les transistors en couche mince (OTFT) ou les capteurs pour les applications sur supports souples pour la microélectronique plastique. Dans ce contexte, la réalisation par un procédé de dépôt sélectif, de structures, de spots ou de lignes de matériaux métallique et/ou organique voire de gouttelettes, de dimensions caractéristiques de l’ordre de quelques dizaines de microns, est d’un intérêt considérable. Le procédé photonique, dénommé LIFT (Laser Induced Forward Transfer), est bien adapté à ce type de réalisations. Il consiste à décoller sélectivement par irradiation laser un pixel de forme et de dimensions contrôlées (de quelques micromètres à plusieurs millimètres) d’une couche mince d’un matériau préalablement déposée sur un substrat transparent, et à le transférer sur un autre substrat, placé à proximité, en une seule opération et cela sans modification de ses propriétés. Ce procédé permet de déposer tout type de matériau (organique, inorganique) en phase liquide ou solide avec une résolution micrométrique. Il a récemment permis par exemple de fabriquer un transistor organique opérationnel sans post-traitement (recuit).

6.5 Procédés de micro et nano-usinage 2D et 3D

6.5.1 Usinage direct

Les sources lasers impulsionnelles sont utilisées depuis de nombreuses années pour l’usinage de nombreux matériaux avec une résolution spatiale micrométrique. L‘avènement des sources ultra-rapides de type ps et surtout fs permettent aujourd’hui le développement de travaux de R&D dans ce domaine mais à avec une résolution de l’ordre d’une dizaine de nanomètre ; on parle alors de nano-usinage ou de gravure laser directe par comparaison aux techniques de photolithogravure qui nécessitent l’utilisation de nombreux masques. Les durées d’interactions très brèves permettent d’exalter les phénomènes non linéaires. En focalisant le faisceau laser avec un objectif à forte ouverture numérique, il est ainsi possible en travaillant près du seuil d’ablation du matériau et uniquement avec « la pointe » de l’intensité, de réaliser des trous de taille bien inférieure à la limite de diffraction. Les publications les plus récentes montrent des ablations de matériaux diélectriques ayant

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un diamètre inférieur à 40 nm ainsi que la réalisation de nanocanaux 3D submicroniques (~ 700 nm) dans du verre. Les applications potentielles sont nombreuses notamment dans le domaine de la micro/nano-électronique, de la micro/nanofluidique et de la photonique. Dans ce dernier domaine plusieurs équipes étudient la possibilité de réalisation de cristaux photoniques par usinage laser direct. Un autre avantage important des durées ultra-brèves est de réduire la zone affectée thermiquement (on parlera ici communément d’usinage athermique, ce qui est un abus de langage), et de présenter une résolution spatiale en profondeur très importante permettant par exemple l’ablation sélective de matériaux constitués d’un empilement de couches minces. De nombreuses applications sont également concernées, on citera ici à titre d’exemple le photovoltaique (technologie silicium et organique) et l’ophtalmologie avec comme exemple la greffe de cornée.

6.5.2 Nano-Usinage par renforcement local du champ laser

L’interaction entre un faisceau lumineux et des particules de très faible taille est étudiée depuis de très nombreuses années tant d’un point de vue expérimental que théorique. Lors de travaux portant sur les mécanismes d’enlèvement (nettoyage) de particules submicroniques sur la surface de matériaux à l’aide d’un laser impulsionnel, on a constaté que pour certaines conditions d’irradiation laser il y avait formation de trous de taille nanométrique (<< 200 nm) sous la particule lorsque celle-ci est « transparente » au rayonnement laser. Une théorie simplifiée de Mie permet de montrer que la particule permet un renforcement local du champ laser (> 30- 50) conduisant ainsi à une ablation localisée. Depuis des modélisations beaucoup plus poussées sont développées ainsi que des mesures expérimentales mettant en évidence la formation d’un « jet photonique » sous la particule. Dans le domaine des procédés, des travaux sont réalisés pour déposer des monocouches de nanosphères ou de distributions contrôlées, par exemple à l’aide de pinces optiques, permettant ainsi la réalisation simultanée de très nombreux nano-trous (> 109 dans le cas d’une monocouche).

6.6 Programmes nationaux, européens et positionnement international

Les procédés photoniques sont développés dans et pour de très nombreux domaines d’applications ; mais il n’y a malheureusement pas vraiment de programme spécifique dédié. On les retrouvera donc dans de nombreux programmes, l’applicatif visé étant alors le fil conducteur des travaux de recherche menés. Cette logique nationale se retrouve également au niveau européen. Mais certains pays comme l’Allemagne et le Japon ont mis en place des programmes nationaux d’envergure.

• CNRS PEPS MRCT : Réseaux RTF, Plasmas Froids, CMDO +, ROP C’Nano Fédération de Recherche Fusion (ITER)

• ANR Blanc Biologie – Santé : BiotecS Energie durable & Environnement : Habisol Ingénierie Procédés et Sécurité : Matériaux fonctionnels et Procédés Innovants Sciences et Technologies de l’Information: PNano

• Europe Plate-forme européenne : Photonics 21 (WP2, WP6 et WP7) FP7 Cooperation : Nanosciences, Nanotechnologies, Materials and new Production Technologies, Information and Communication Technologies, Energy, Transport, Health, Security

6.7 Acteurs principaux et positionnement international

Les principaux laboratoires nationaux actifs dans le domaine des procédés photoniques innovants sont : CELIA, FEMTO, GREMI, IEF, IF, IEMN, LaHC, LALP, PHASE, LP3 et le CEA…

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En Europe, l’acteur très largement dominant est l’Allemagne depuis de nombreuses années grâce à une structuration importante du domaine réalisée il y a plus de 10 ans, associée à des financements institutionnels très importants (> 300 Millions €). L’Allemagne bénéficie également d’un tissu industriel remarquable qui la met en position de leader pour ne pas dire de monopôle dans la Plate-forme Photonics 21 et dans le FP7. Ses laboratoires phares sont le Laser Zentrum Hanover (LZH), l’ILT d’Aix-La- Chapelle, le Max Born à Berlin, l’Université de Friedrich Schiller à Iéna. Ensuite viennent l’Angleterre, l’Espagne, l’Italie, l’Irlande et la Grèce. Dans les pays récemment intégrés, Hongrie, Tchécoslovaquie et Roumanie sont présents dans le domaine. Dans ce contexte la France se situerait après l’Allemagne d’un point de vue recherche académique mais après l’Angleterre et peut-être l’Italie et l’Espagne pour les programmes de R&D associant des industriels. En effet bien que la France possède quelques entreprises très dynamiques dans le domaine du développement des sources lasers, il manque des PME dans les domaines de l’intégration, des procédés et de la machine outil. Au niveau international, le Japon suivi des USA, de la Chine et du Canada sont les pays majeurs contribuant au développement de ces procédés. La Russie avec un passé très important dans le domaine des applications lasers pour la Défense, possède un potentiel important et la Corée s’investit aujourd’hui de manière importante.

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GENERATION, CONTROLE ET DETECTION

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7 . NANOSTRUCTURES PHOTONIQUES

7.1 Périmètre

L’intégration d’une structure sub-longueur d’onde au sein de composants et dispositifs photoniques permet d’atteindre un contrôle ultime de la lumière. Un tel contrôle s’entend à la fois dans le domaine spatial (confinement ultime) et dans le domaine temporel (contrôle du temps de stockage des photons). De tels régimes de fonctionnement peuvent être atteints si plusieurs conditions sont réunies. D’abord, il est nécessaire de modéliser le fonctionnement de ces composants optiques ultimes et complexes. En général, des moyens de simulations numériques puissants sont donc requis. Ensuite, il est bien souvent nécessaire de recourir à des outils de nanofabrication performants et reproductibles. Enfin, l’utilisation de moyens de nanocaractérisation adaptés, tels que la microscopie en champ proche, peut s’avérer indispensable. Depuis une dizaine d’années, ces différents outils sont développés et accessibles, ce qui permet au domaine des « nanostructures photoniques » de poursuivre son expansion. Précisons que parmi les différents types de nanostructures photoniques, nous traitons ici tout particulièrement du cas de cinq familles : les structures plasmoniques, exploitant des nanostructures métalliques, les couches minces optiques, les cristaux photoniques, les métamatériaux et les fibres optiques nanostructurées. Les plasmons de surface ont été découverts par Rufus Ritchie en 1957. Les recherches menées au cours des 40 années qui ont suivi ont permis d’approfondir les propriétés physiques fondamentales de ces oscillations collectives d’électrons. Au cours de ces dix dernières années, des avancées remarquables ont été effectuées en particulier au niveau des réalisations expérimentales grâce à la fabrication contrôlée de surfaces nanostructurées. Ainsi, les différents modes de plasmons de surface prédits théoriquement peuvent aujourd’hui être observés sur des surfaces pour lesquelles une faible disparité de taille et de forme des nanostructures est présente. De nombreuses applications potentielles émergent également et le terme "plasmonique" est apparu récemment. A l’origine, il concernait l’application spécifique où des microstructures ou des nanostructures métalliques permettaient le transport d’énergie sur des distances micrométriques. Aujourd’hui, ce terme recouvre une large palette d’applications et d’effets physiques et peut s'utiliser plus largement pour toute la physique associée à l’excitation de plasmons de surface. Les couches minces optiques participent, tout comme les cristaux photoniques qui sont leur généralisation au contrôle tri-dimensionnel de la lumière, des enjeux liés au confinement et l’exaltation de la lumière, la plasmonique et la lumière lente…, avec une priorité consacrée au filtrage optique en espace libre. Depuis une vingtaine d’années, ce domaine est le théâtre d’une évolution rapide et continue qui rend aujourd’hui possible la fabrication de filtres interférentiels dont les caractéristiques seraient passées à la fin des années 70 pour totalement irréalistes, même aux yeux des experts les plus optimistes : nombre de couches dépassant les 1000 avec une transmission supérieure à 90%, raideur de flanc de l’ordre du nanomètre, réjection supérieure à 106, … L’un des moteurs les plus puissants de cette progression a très certainement été, au début des années 90, l’explosion de la demande que l’on a ultérieurement qualifiée de « Bulle Télécom ». Elle concernait en particulier le développement de filtres à bande étroite nécessaires au multiplexage et au démultiplexage spectral des porteuses laser de transmission de données utilisées dans la technique DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) ; on peut sans crainte d’être excessif affirmer que ce marché est aujourd’hui détenu par les composants utilisant des traitements optiques interférentiels. D’autre secteurs d’application emblématiques concernent aujourd’hui le biomédical ou la photolithographie, la microélectronique… Le domaine des cristaux photoniques a émergé en tant que tel voilà une vingtaine d’années, à la suite de propositions d’Eli Yablonovitch et de Sajeev John. Rappelons que ce terme recouvre des structures dont la constante diélectrique varie périodiquement, la période étant de l’ordre de la longueur d’onde des photons. Du fait de cette structuration, des propriétés tout à fait particulières peuvent être obtenues, telle que l’apparition d’une bande interdite photonique, qui correspond à une gamme spectrale dans laquelle la propagation des photons ne peut pas se produire. Mais ces structures présentent également des bandes photoniques permises, dont les propriétés de dispersion sont d’une très grande richesse, et sont contrôlables dans une large mesure. De manière générale, ces structures constituent un moyen extrêmement efficace pour contrôler les propriétés des photons localement. Il est par exemple possible de confiner la lumière dans des volumes très restreints et

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pendant des temps très longs. Il est de plus envisageable de contrôler la propagation de la lumière de manière non conventionnelle. Enfin, l’interaction des photons ainsi contrôlés et leur milieu environnant peut être inhibée ou exacerbée. Les travaux de recherche concernant les cristaux photoniques ont considérablement évolué depuis les années 90. Au-delà des premières démonstrations concernant la mesure d’une bande interdite photonique, une grande partie des activités a consisté à développer des briques de base pour l’optique intégrée. Par ailleurs, un certain nombre d’équipes réalisent et étudient des composants actifs tels que des lasers ou d’autres dispositifs non linéaires. Par « métamatériau », on désigne un milieu composite artificiel qui a des propriétés effectives qu'aucun matériau homogène ne possède. Les structures plasmoniques et les cristaux photoniques peuvent à ce titre entrer, dans certaines conditions, dans cette catégorie. Cependant, le terme métamatériau a largement été popularisé pour des structures dont les valeurs de la permittivité et de la perméabilité effectives sont simultanément négatives. Ce concept trouve son origine dans les travaux théoriques de Veselago sur les matériaux dits de la main gauche (1967) mais c'est l'article du physicien John Pendry de l'Imperial College à Londres qui a provoqué l'engouement des scientifiques. En effet il a montré qu'un tel matériau rendrait possible une lentille parfaite, non soumise à la limite de résolution de Rayleigh. Le début des années 2000 a vu les premières réalisations pratiques, exploitant notamment des « split ring resonators », et l’avancée du domaine des lentilles parfaites. Parmi les aspects les plus « visibles » et retentissants des développements propres à ce domaine, on peut citer qu’en 2006, J. Pendry a proposé d’exploiter de telles structures pour réaliser des « capes d’invisibilité ». Ces développements conceptuels sont accompagnés par un ensemble d’études technologiques, qui visent à réaliser des structures couvrant un large domaine spectral, des micro-ondes à l’infrarouge. Au-delà de ces applications au fort potentiel médiatique, il faut voir dans ce domaine émergent une approche qui peut sans doute trouver bien des applications. Dans un premier temps, on peut imaginer des structures artificielles pouvant apporter une solution simple à un problème donné et ceci sans se donner de contrainte a priori sur les caractéristiques du matériau. Dans un second temps, il s'agit de chercher le matériau composite qui va approcher au mieux les caractéristiques recherchées. Il s'agit donc d'un champ d'investigation extrêmement vaste tant du point de vue fondamental qu'applicatif. Lors des trois dernières décennies, des avancées remarquables dans le domaine de la fabrication des fibres optiques ont révolutionné les transmissions optiques et permis le développement fulgurant du réseau Internet. Plus récemment, des fibres à base de microstructures air-silice (ou encore PCF pour Photonic Crystal Fibre) sont apparues. Leurs caractéristiques de propagation originales continuent toujours de faire l’objet d’un engouement scientifique important. Elles ont demandé le développement de technologies d’élaboration spécifiques, nécessaire pour contrôler finement leurs structures nanométriques. Ainsi une fibre à cœur creux et à gaine dite Kagomé est formée de ponts de silice entrelacés de 300 nm d’épaisseurs. Parallèlement, des fibres dites ‘hybrides’ commencent à voir le jour grâce à l’utilisation de dopages originaux, d’inclusions nanométriques de type diélectrique/métallique/semi-conductrice ou de structurations multi-verres, le tout combinés à la mise en place de technologies innovantes de fabrication telles que le procédé sol-gel. Les applications visées à travers les développements de ces différents types de nanostructures photoniques se situent dans le cadre des communications optiques, mais s’ouvrent aussi à de nombreux autres domaines d’applications dans le médical, le spatial, la défense, l’environnement, les capteurs, les sources lumineuses ou la conversion d’énergie (photovoltaïque)… A cette fin, les nanostructures photoniques proposées opèrent dans des gammes spectrales de plus en plus étendues, s’étalant de l’UV à l’infra rouge, voire au térahertz. Dans le cadre d’une démarche prospective, faisons à présent le point sur les différentes études qu'il serait souhaitable de mener dans les années à venir. Les propositions qui suivent concernent aussi bien des aspects fondamentaux que des aspects applicatifs.

7.2 Structures plasmoniques

7.2.1 Propriétés physiques des plasmons et modélisation

Il est important que des modélisations soient entreprises pour définir les géométries permettant d’obtenir des champs électromagnétiques extrêmement élevés au voisinage de nanostructures

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métalliques seules ou en groupes (dimères et autres). Cela permettra de mieux comprendre la physique des exaltations et de prédire des géométries optimales. Les applications impliquées sont en particulier la microscopie optique en champ proche (SNOM) ainsi que d’autres techniques permettant de sonder le champ proche des nano-objets, et les différentes spectroscopies de surface exaltées : diffusion Raman exaltée de surface (SERS) et génération de second harmonique (SHG), entre autres. En particulier cela devrait permettre de déboucher sur la détection de molécules uniques par spectroscopie Raman ou la génération de second harmonique sur des surfaces exaltantes contrôlées. L’apport de telles études peut être également important pour la fluorescence de nano-objets uniques ou d’ensembles de nano-objets, molécules organiques ou boîtes quantiques, afin d’obtenir, soit une exaltation de fluorescence, soit une inhibition contrôlée de type FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer).

7.2.2 Transmission extraordinaire sur les tamis à photons

Beaucoup d’études ont été effectuées sur ces tamis, réseaux de trous ou de fentes. L’effort a plus porté sur la modélisation et il est maintenant nécessaire d’avoir un grand nombre de données expérimentales pour permettre d’identifier les nombreux types de modes électromagnétiques, plasmons ou non, responsables de ces exaltations (les plasmons semblent jouer un rôle important dans beaucoup de configurations). L’identification des modes dépend de nombreux paramètres, c’est pourquoi il est nécessaire de réaliser de nombreuses expériences systématiques ; mais il est également souhaitable que les différents groupes impliqués se rapprochent afin de mettre en commun leurs compétences, et de confronter leur point de vue.

7.2.3 Les nano-antennes

Depuis quelques années, le domaine de la plasmonique est fortement associé à la notion de nanoantennes métalliques. En effet, un nombre croissant de travaux est publié sur les propriétés de structures métallo-diélectriques. L’utilisation des modes plasmons au sein de ces structures peut permettre de concentrer ou guider le champ électromagnétique sur des échelles largement sub-longueur d’onde. Cette particularité ouvre un potentiel applicatif large si on dispose : • d’une ingénierie « plasmon » permettant de contrôler les propriétés de propagation, d’absorption

et de rayonnement de ces modes, • d’une maîtrise technologique suffisante de ces micro/nano objets métalliques.

7.2.4 Lasers, LED, OLED, cellules photovoltaïques

Il est particulièrement important d’étudier la possibilité d’utiliser les plasmons pour réduire le seuil d’émission de microcavités lasers et également augmenter l’extraction de la lumière. Par extension, des systèmes prospectifs de type amplificateurs de plasmons par émission stimulée mériteraient de faire l’objet d’une étude en amont de futures applications. L’extraction de la lumière par plasmons est également une thématique de très grande importance pour les dispositifs de type LED et OLED. L’optimisation du rendement interne et externe de LEDs, notamment dans le domaine visible et proche UV, représente en effet un enjeu crucial. Signalons aussi que l’intérêt potentiel des structures plasmoniques pour l’optimisation du rendement de cellules solaires photovoltaïques, mais aussi de dispositifs photodétecteurs multi spectraux, notamment en couche mince.

7.2.5 Biocapteurs, nanostructures hybrides, plasmonique moléculaire

La sensibilité des capteurs à plasmons traditionnels (type SPR, Surface Plasmon Resonance) pourrait être fortement optimisée, par exemple grâce à de nouvelles surfaces nanostructurées optimisant les champs électromagnétiques locaux en particulier les couplages entre deux ou plusieurs nanoparticules. Cette thématique pourrait être également renforcée pour permettre le développement de composants où des phénomènes moléculaires ou diélectriques sont couplés à des plasmons. Il s’agit en particulier d’étudier des nanostructures dont l’indice de réfraction modifierait localement la résonance plasmon et

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qui pourraient être actives, c’est à dire susceptibles d’être modifiées afin d’envisager la réalisation de modulateurs ou d’interrupteurs. Doivent être également étudiés pour des applications biologiques des couplages plasmons/molécules pour renforcer et augmenter la distance d’interaction de processus de type FRET.

7.2.6 Plasmonique "originelle"

De nouvelles voies doivent être explorées pour augmenter la distance de propagation de l’énergie sur les chaînes de particules ou sur les structures polaritoniques à bande interdite en déterminant des géométries favorisant des couplages forts de type champ proche entre les nano-objets. La modélisation ici, comme pour les biocapteurs, doit permettre de jouer un rôle important de prédiction. Des rapprochements avec la communauté de l’optique guidée traditionnelle paraissent également souhaitables.

7.2.7 La « circuiterie » plasmonique

La physique des plasmons de surface est actuellement appliquée à la réalisation de nanocomposants hybrides permettant simultanément sur un même support métallique d’assurer la propagation de signaux optiques ainsi que le transport de signaux électriques (fonction de guide d’onde). Citons en particulier qu’une telle plasmonique, combinée à des matériaux magnéto-optiques, peut générer des effets magnéto-plasmoniques. Il serait alors possible d’imaginer des fonctions de transmissions non-réciproques (isolation optique) sur des dimensions extrêmement réduites.

7.3 Couches minces optiques

Dans le domaine de l’espace libre, les couches minces optiques demeurent incontournables dans nombre de secteurs. Ce constat résulte d’une maturité acquise au cours des trente dernières années, ainsi que de la diversité et la complexité des fonctions optiques réalisées : respect de contraintes simultanées sur l’intensité et la phase, la polarisation, l’achromaticité ou la résonance, la stabilité à l’incidence… Ce type de composant trouve également sa force dans la diversité des substrats (verres, cristaux, plastiques) et des matériaux déposés (oxydes, sulfures, nitrures, fluorures, métaux). Par ailleurs, ce domaine est quasiment le seul à bénéficier de logiciels de synthèse élaborés faisant appel aux techniques d’optimisation les plus récentes (algorithmes génétiques, recuit simulé, méthode des aiguilles, …). Si, dans les années 2000, des progrès spectaculaires ont été réalisés dans le domaine de la fabrication de filtres destinés aux applications microélectronique (traitement des optiques des répéteurs de lithographie UV), télécommunications optiques à haut débit (multiplexeurs et démultiplexeurs des liaisons DWDM, filtres égaliseurs de gain) ou biomédical (filtres dichroïques bord de bande à flancs très raides pour les observations en fluorescence, filtres suppresseurs de raies laser de densité optique supérieure à 7), la technologie a encore progressé au cours des 5 dernières années, notamment dans le domaine de l’automatisation des procédés, et rend aujourd’hui accessible le dépôt de plusieurs centaines de couches (le millier a récemment été dépassé) avec une précision nanométrique. Ces progrès ont été accompagnés par une métrologie de plus en plus sophistiquée, in situ et ex situ, avec dans ce dernier cas, une mention spéciale pour la tenue au flux, qui est devenue un réel verrou dans le contexte actuel d’intégration photonique et d’augmentation de la puissance des sources laser. Parallèlement les contraintes non optiques (dureté, adhésion, sensibilité à l’environnement, vieillissement, auto nettoyage) ont pris une place considérable, notamment dans le domaine des applications grand public (bâtiment, lunetterie). Nous nous attachons ci-dessous aux ruptures scientifiques et technologiques qui ont rendu possible une telle évolution, en relevant quelques défis particuliers.

7.3.1 Les techniques de synthèse

Le progrès le plus marquant est certainement à mettre au crédit de la méthode des aiguilles (needles), car elle permet d’élaborer, pour pratiquement n’importe quel type de filtre, une formule tout à fait satisfaisante, en se limitant à la définition d’informations a priori réduites à l’essentiel (nature des matériaux, épaisseur globale présumée de l’empilement). Un grand nombre de problèmes demeurent

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cependant insolubles à ce jour, notamment lorsque les contraintes portent conjointement sur un grand nombre de paramètres dont la dispersion spectrale de la phase.

7.3.2 Les procédés énergétiques

La deuxième évolution notable au niveau des procédés de dépôt est le remplacement progressif de l’évaporation thermique de granulats obtenue par bombardement électronique, par la pulvérisation de cibles solides planes, réalisée à l’aide de canons à ions (IBS, Ion Beam Sputtering) ou de magnétrons (RF Sputtering, DC Sputtering). Les composants obtenus sont compacts et offrent une résistance et stabilité rares aux contraintes d’environnement. Par ailleurs, la stabilité de la cinétique de croissance rend possible l’automatisation du procédé de dépôt, et ce faisant la réalisation d’empilements à très grand nombre de couches (quelques centaines jusqu’au millier) dont la fabrication peut s’étendre sur plusieurs jours. Un défi reste à relever et concerne l’uniformité des dépôts, à savoir, pour un nombre croissant d’applications, être capable de contrôler les épaisseurs à mieux que 10-3 sur des surfaces non planes avec des dimensions supérieures à 200mm.

7.3.3 Le contrôle in situ du composant

Les développements les plus récents concernent la mise en œuvre de systèmes optiques de contrôle large bande, avec des extensions à l’infrarouge proche et moyen: ceci permet de contraindre le problème inverse que l’on à résoudre, qui consiste à modifier en temps réel la cible théorique pour se rapprocher du résultat recherché compte tenu des performances du sous-empilement en cours de fabrication : c’est l’une des facettes du reverse engineering, en pleine évolution.

7.3.4 La tenue aux flux lumineux intenses

La tenue au flux est devenue en quelques années une spécification incontournable mais demeure encore mal maîtrisée, eu égard au nombre de phénomènes intervenant dans le processus de dégradation: non linéaire, thermique ou thermo-mécanique, effets spécifiques de surface ou volumes… Cette complexité impose l’utilisation de courbes de seuil caractéristiques d’une probabilité d’endommagement, en lien étroit avec la densité de sites initiateurs de la dégradation.

7.4 Cristaux photoniques

7.4.1 Modes de lumière lente, ingénierie de la dispersion

En exploitant les propriétés exceptionnelles des cristaux photoniques en termes de dispersion, de nombreux régimes de fonctionnement sont à explorer. Une des voies privilégiées est d’utiliser des modes de « lumière lente », qui permettent de contrôler ou bien de confiner les photons à la fois spatialement et spectralement. Il est ainsi possible de réaliser des nano-résonateurs photoniques qui peuvent être mis à profit par exemple dans le cas de l’optique non linéaire ou de l’optique quantique. Le contrôle fin et local de la dispersion permet aussi d’envisager la réalisation de nouveaux concepts de circuits intégrés photoniques. La richesse de ces modes optiques devrait aussi permettre de concevoir de nouveaux circuits photoniques complexes, versatiles, et éventuellement fondés sur des architectures 3D. La mise en œuvre de ces concepts peut aussi permettre d’envisager le développement de nombreux types de composants optiques d’espace libre, opérant « par la surface », et ainsi de proposer des alternatives attractives aux composants à base de couches minces optiques. Plus loin, la fusion de ces deux domaines est envisageable, en réalisant des empilements de couches minces optiques dont certaines sont dotées de cristaux photoniques (photonique « 2.5D »), et ce afin d’atteindre une plus vaste gamme de fonctionnalités optiques. Enfin, l’étude de l’impact du désordre sur les propriétés de telles structures est un thème en lui-même très prometteur. Les développements mentionnés ici sont déjà en cours dans différentes unités de recherche en France, mis il faut souligner que pour atteindre le stade de la maturité, ces efforts de recherche méritent d’être soutenus.

7.4.2 Nouveaux matériaux, nouvelles fonctions

Le domaine des cristaux photoniques est par ailleurs marqué par l’exploitation de matériaux de base de plus en plus divers. Il peut s’agir des matériaux semi-conducteurs les plus usuels (silicium, composés III-V), mais aussi d’autres matériaux dont l’utilisation dans cette optique est plus récente

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(LiNbO3, composés III-N, silicium poreux, métaux, etc.). Le choix des matériaux dépend d’une part de la valeur requise pour la constante diélectrique, mais aussi des propriétés recherchées. En effet, selon l’interaction entre les photons et le milieu environnant, et donc entre autre avec le matériau constitutif du cristal photonique, des fonctions particulières peuvent être obtenues. Ces fonctions sont très nombreuses ; certaines sont déjà développées (fonctions opto-électroniques, mécano-optiques, etc.) et d’autres en sont à leur génèse (magnéto-photonique, photo-fluidique, bio-photonique, etc.). En particulier, la possibilité d’intégrer entre eux divers de ces matériaux de base, par exemple sur un support de silicium, pourra s’avérer un élément clé pour le développement de certains systèmes optiques. La complexité technologique doit être aussi traitée lorsqu’il s’agit de réaliser des composants opto-électroniques, dotés d’électrodes. Des développements analogues sont nécessaires pour tous les autres types d’association (photo-fluidique, etc). De manière générale, chaque nouvelle fonction implique un travail important de design et de développement technologique, qui peut à lui seul motiver un projet de recherche. De manière générale, au-delà de la combinaison des fonctions mentionnées ci-dessous, il sera certainement utile d’associer des cristaux photoniques intégrés avec des structures plasmoniques ou des nano-antennes métalliques. Une telle association pourrait en effet permettre de combiner les avantages de ces deux types de nanostructures photoniques (localisation extrême, contrôle avancé des pertes optiques, contrôle du rayonnement, etc).

7.4.3 Vers une gamme spectrale plus étendue

En termes de longueur d’onde, si les tout premiers cristaux photoniques fonctionnaient dans le domaine des micro-ondes, la gamme spectrale couverte par les travaux actuels s’est considérablement étendue puisqu’elle va de l’UV à l’infra-rouge, puis aux longueurs d’ondes plus élevées. L’extension en cours de la gamme spectrale dans laquelle on est capable de concevoir et de réaliser des cristaux photoniques permet en particulier de viser une gamme d’applications renouvelée.

7.4.4 Méthodes de conception, de réalisation et de caractérisation

Enfin, il est important de noter que ces travaux sont liés au développement des méthodes de modélisation, de caractérisation, et du parc de micro-nanofabrication disponible. A cet égard, on ne peut qu’encourager les travaux en termes de développement d’outils de simulation électromagnétiques, et les efforts dans le domaine de la nano-caractérisation optique, exploitant par exemple le champ proche optique. Il est également nécessaire de garantir l’accès à des outils de fabrication performants et souples d’utilisation, tels que ceux disponibles à la fois dans les grandes centrales de technologies et dans les centrales de proximités.

7.5 Métamatériaux

Ce thème a vu son essor en 2000 et est rapidement devenu incontournable. La plupart des études expérimentales se sont concentrées sur des longueurs d'ondes beaucoup plus grandes que l'optique. Ainsi, des démonstrations marquantes ont été réalisées en utilisant des métamatériaux opérant dans le domaine des micro-ondes (des split ring resonators aux capes d’invisibilité). Il est cependant notable que nombre d’applications pourraient bénéficier du possible contrôle de la lumière offert par des métamatériaux opérant dans le domaine optique (du transport de l’information pour les communications optiques à l’imagerie pour la biologie et la médecine, en passant par la furtivité dans le domaine de la défense). Il faut souligner que les progrès technologiques rendent accessible le domaine de longueur d'onde du visible et proche infrarouge comme le démontrent de récentes publications. Il reste néanmoins des efforts importants à fournir pour aboutir à une technologie suffisamment mature et ceci dans un contexte extrêmement concurrentiel. Entre ces deux domaines de longueur d'onde, la partie THz du spectre constitue un domaine où les concepts des métamatériaux devraient apporter des solutions novatrices. Faire opérer de telles structures dans le domaine optique pose des problèmes considérables à la fois en termes de modélisation et de simulation et en ce qui concerne la réalisation des objets élémentaires. En effet, appliquer un simple facteur d'échelle se heurte à au moins deux obstacles importants: d'une part les dimensions qui seraient inaccessibles aux technologies actuelles. De plus on peut en particulier citer le fait que les métaux présentent des pertes très importantes dans ce domaine spectral. D’autres voies pourraient donc être envisagées pour imaginer des métamatériaux optiques sans pertes, par exemple en exploitant des micro-résonateurs élémentaires constitués de

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matériaux à forte permittivité ou encore en considérant des milieux diélectriques à gain.. Si les technologies top-down issues de la micro-électronique sont le plus souvent utilisées, aujourd'hui des projets émergent pour envisager des réalisations par auto assemblage, voie qui semble prometteuse en terme de structures bas coûts particulièrement pour les courtes longueurs d'onde. Un travail important en termes d'identification des domaines les plus prometteurs pour les applications doit être conduit.

7.6 Fibres optiques nanostructurées

7.6.1 Structures PCF fonctionnalisées

Les fibres PCF, dont la technologie de fabrication est devenue mature, offrent la possibilité de fonctionnaliser la structure guidante via l’accès au champ propagé par la présence des canaux d’air. En effet, le guidage de la lumière dans l’air à des dimensions micrométriques sur des longueurs kilométriques offre une méthode d’interaction lumière/matière inégalable. Ainsi, les PCFs (cœur solide ou creux) seront utilisées comme une structure de base à laquelle sera ajouté, (inséré dans les trous de la gaine et/ou dans le cœur creux) un matériau choisi pour discriminer et détecter la présence de substances chimiques ou biologiques cibles, ou pour générer des radiations à de nouvelles longueurs d’onde ou encore pour réaliser des conversions électrique-optique.

7.6.2 Technologie sol-gel, fibres composites, nano-inclusions

La technologie sol-gel associée à la méthode classique de tirage des fibres optiques va permettre de développer des fibres multi-matériaux dans le but de réaliser des guides et des sources fibrées à des longueurs d’onde nouvelles, s’étendant de l’UV à l’IR-Moyen, mais également afin d’exacerber des propriétés non-linéaires. Les fibres nanostructurées dont le cœur est composé de nanocristaux (ZrO2, ZnO, ...) dopés (terres rares ou métaux de transition) dans une matrice amorphe constitue une des voies nouvelles à explorer. En effet, il convient aujourd’hui de modifier l’environnement de l’ion dopant pour modifier ses processus d’émission. Une autre solution envisagée consiste à utiliser directement l’émission lumineuse de nanoparticules semi-conductrices (ex : Quantum Dots). Dans ce contexte, les avantages attendus seront une émission étroite et accordable (sur 2 octaves) et des gains optiques dépassant de plusieurs ordres de grandeur le dopage classique aux ions terres rares. Il est à noter qu’avec l’incorporation de nanoparticules semi-conductrices au sein de fibres optiques, une voie s’ouvre pour de nouveaux concepts d’intégration de composants (modulateurs). Finalement, des fibres fortement non-linéaires pourront aussi être envisagées en choisissant un matériau autre que la silice (par exemple, des verres de tellure ou des verres dopés bismuth ou des cœurs en silicium), combinées éventuellement à une gaine microstructurée.

7.6.3 Ondes de plasmon

L’insertion d’un réseau de fils métalliques (diamètre micro, nanométrique) dans une matrice diélectrique est une voie pour le développement de fibres optiques innovantes exploitant l’effet de bande interdite photonique ainsi que l’effet plasmonique. La combinaison de ces deux effets ouvre la voie à de nouvelles applications et à la miniaturisation de composants optiques.


7.7.1 Plasmonique

Programmes nationaux : ANR : AAP blanc – AAP PNANO Evénements nationaux : Workshops organisés par le GDR « or nano », Workshops organisés par le GDR « Ondes » Evénements internationaux : NFO : International Conference on Near Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques SPP : International Conference on Surface Plasmon Polariton META : International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics Divers symposium dans le cadre de conférences internationales organisées par le SPIE

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7.7.2 Couches minces optiques

La communauté internationale est réunie de façon exhaustive tous les 3 ans à l’occasion du congrès « Optical Interference Coatings », en général à Tucson. Avec un calendrier différent, la communauté européenne est réunie au même rythme à l’occasion de la Conférence SPIE « Advances in Optical Thin Films ». Plus récemment, on note l’apparition du même type de congrès international en Chine (« Frontiers of Optical Coatings »), avec la première occurrence en 2009. Enfin, on trouve plusieurs congrès annuels à Dallas (Société Américaine du Vide) à ou à Montréal (Ecole Polytechnique). Enfin, le congrès « Laser-Induced Damage in Optical Materials » rassemble chaque année les spécialistes de la tenue au flux laser dans les filtres optiques à Boulder, Colorado.

7.7.3 Cristaux photoniques

Il est à noter que depuis les années 90, de nombreux projets ont été menés dans ce domaine en France, aux niveaux des régions et au niveau national, et sur le plan Européen. Preuve de la richesse de ce domaine, de tels projets se retrouvent actuellement dans des projets proposés suite à des appels d’offre relevant des nanotechnologies, des technologies de l’information, de la biologie, de l’énergie, mais aussi à des appels plus fondamentaux. Programmes nationaux : ANR : Tout particulièrement les AAP Blanc et PNANO/P3N Evénements nationaux : Workshops organisés par le GDR « Ondes » Événements internationaux : PECS : Photonic and Electromagnetic Crystal Structures meetings ESPC : European Symposium on Photonic Crystals Symposiums organisés dans le cadre des conférences générales SPIE, LEOS, CLEO, OSA, etc.

7.7.4 Métamatériaux

S'agissant d'un thème apparu récemment il n'y a pas aujourd'hui de structuration spécifique de la communauté nationale. Programmes nationaux : ANR : AAP blanc – AAP PNANO Evénements nationaux : GDR « Ondes » Evénement internationaux : Nanometa, Metamaterials.(initié par le NoE Metamorphose), META, Symposiums organisés dans le cadre des conférences générales SPIE, LEOS, CLEO, etc.

7.7.5 Fibres optiques nanostructurées

Depuis 1984 le CNRS a soutenu l’établissement en France de moyens technologiques pour les recherches sur les fibres optiques. Limoges (IRCOM devenu XLIM) et Nice (LPMC) ont accueilli les premières installations de tirage de fibres et de fabrication de préformes par MCVD. Plus récemment il a également appuyé la constitution du GIS GRIFON qui coordonne les efforts académiques sur les fibres à base silice autour des laboratoires PhLAM (Lille), LPMC (Nice) et XLIM (Limoges). Les autres soutiens sont venus d’initiatives régionales et ont vu la création d’un autre GIS dans l’ouest de la France autour des laboratoires FOTON (Lannion), LVC (Rennes) et de l’association PERFOS. Il n’y jamais vraiment eu à ce jour et à l’échelle nationale de programme national dédié à l’optique des fibres. Pourtant les laboratoires évoqués plus haut ont su acquérir une place parmi les leaders de la communauté internationale (participation à de multiples programmes européens, collaboration avec de gros laboratoires en Allemagne et en Russie).

7.8 Évolution et recensement de communauté

7.8.1 Plasmonique

Structuration et animation de la communauté : GDR « Or Nano » GDR « Ondes » Communauté académique : ISIS, CPMOH, ICD / LNIO, ICB, CEA / IRAMIS, LCFIO, LETI, CEMES, INL, INSP, LPN, Institut Fresnel, IEF, LASIM, LRS, LPCML, LM2N, ITODYS, IRCEL, FEMTO, LMPQ, CRPP, etc…

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7.8.2 Couches minces optiques

Communauté académique : Institut Fresnel, Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, Laboratoire des Matériaux Avancés, Institut des Nano-Sciences de Paris, Laboratoire Physique des Interfaces et des Couches Minces, CEA-LITEN… Communauté industrielle française : CILAS, SAGEM, SESO, ESSILOR, SAINT-GOBAIN, THALES-ANGENIEUX Communauté industrielle internationale forte, dans laquelle on peut en particulier citer JDS-Uniphase (USA), SEMROCK (USA), Barr Associates (USA), Chroma Technology (USA), IRIDIAN Spectra (Canada), ZEISS (Allemagne), MSO-Jena (Allemagne), …

7.8.3 Cristaux photoniques

Historiquement, la communauté autour des cristaux photonique s’est structurée grâce au GDR « Microcavités et cristaux photoniques ». Le GDR « Ondes » a ensuite poursuivi ce travail. Il est notable que la communauté française est actuellement très étendue, et parmi les plus dynamiques en France, preuve en est le nombre de communications orales annoncées à la conférence de référence, PECS VIII-2009, et qui seront présentées par des groupes français. Parmi les laboratoires fortement impliqués dans le domaine, on citera les suivants : LCFIO, INL, LPN, Femto-ST, Institut Fresnel, GES, IEF, CEA-INAC, CEA-LETI, LAAS, IEMN, ICD/LNIO, LPUB, IM2NP, INSP, IPCMS, LASMEA, etc…

7.8.4 Métamatériaux

La communauté métamatériaux en France a plutôt été initiée autour du domaine des micro-ondes, probablement essentiellement pour des raisons de relative simplicité des réalisations expérimentales (par rapport à l'optique). Néanmoins, les récents succès obtenus au niveau international (en particulier US, Allemagne) en termes de réalisation pour l'optique ont démontré le potentiel existant. Communauté académique (bilan non exhaustif et avec des degrés d'implication très variables) : IEMN, IEF, Institut Fresnel, GES, CEA LETI, LPN, LCFIO… Communauté industrielle : Thalès

7.8.5 Fibres optiques nanostructurées

Communauté académique nationale relative à la fabrication, la caractérisation, la conception de fibres optiques : PhLAM-IRCICA (Lille), LPMC (Nice), LVC (Rennes-verres Chalcogénures), XLIM (Limoges) Communauté académique nationale relative à l’utilisation de fibres optiques (liste non exhaustive): FEMTO-ST Besançon, LCFIO-Institut d’Optique Palaiseau, TELECOM ParisTech, CORIA Rouen, Institut Carnot de Bourgogne Dijon, CELIA Bordeaux, LPN Marcoussis, FOTON Lannion, Laboratoire Hubert Curien Saint Etienne, POMA Angers, Inst. Fresnel Marseille, CIMAP Caen, LPCML Lyon, LNIO-UTT Troyes,…. Autres établissements publics concernés (liste non exhaustive): ONERA-Palaiseau, CEA-Saclay, DGA, CEA Cadarache (ITER), CEA-CESTA Bordeaux. Communauté industrielle nationale ayant trait à la fibre optique, sa fabrication ou son exploitation importante dans des composants et systèmes (liste non exhaustive): Alcatel-Lucent, Draka Comteq, IX-FIBER, PERFOS, PHOTONIS, EOLITE, Quantel, KEOPSYS, Amplitude Systèmes, Mauna Kea Technologies, LEUKOS, IDIL, ORANGE Lab, EDF R et D, France Telecom, Alcatel-Thales III-V Lab, Yenista, …

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8 . SOURCES DE LUMIERE

8.1 Périmètre

Avec l’apparition du laser dans les années 60 et des sources à base de matériaux semi-conducteur, les technologies disponibles pour la génération de lumière ont connu une véritable explosion. Ces progrès ont conduit à l’apparition de nouveaux outils qui sont aujourd’hui incontournables dans de nombreux domaines d’application : télécommunications, médical, procédés industriels, instruments scientifiques, défense et sécurité… Ces sources de lumière sont basées sur de véritables ruptures technologiques qui doivent encore progresser afin d’aboutir à des systèmes encore plus performants ou offrant des fonctionnalités nouvelles. De nombreuses perspectives sont identifiées sur le plan scientifique pour répondre à ce besoin et la communauté scientifique nationale bénéficie de compétences de pointe pour porter l’innovation sur cette thématique. Ce chapitre couvre les sources de lumière cohérente et incohérente et son objectif est de présenter les évolutions technologiques actuelles et les applications potentielles. Le périmètre de ce texte couvre les lasers à semi-conducteurs, les lasers à l’état solide, l’émergence des technologies fibrées et les étages de conversion non linéaires associés pour étendre la gamme spectrale couverte. D’un point de vue spectral, cette section du rapport couvre la génération de rayonnements depuis l’UV jusqu’aux fréquences THz. Un paragraphe est consacré aux diodes électroluminescentes à base de matériaux semi-conducteurs (DEL) ou organiques (OLED) pour leurs applications dans le domaine de l’éclairage et des afficheurs. Un paragraphe « lumière extrême » présente l’état de l’art et les perspectives scientifiques dans le domaine des lasers à impulsions courtes ou de très forte puissance crête, ainsi que les sources à base de rayonnement synchrotron et les lasers à électrons libres.

8.2 Lasers à semi-conducteur

De par leurs performances techniques et économiques, leur fiabilité et leur simplicité d’utilisation, ces composants se sont imposés naturellement dans de nombreuses applications. Leur développement intensif depuis plus de trois décennies leur confère une grande richesse technologique. L’activité de recherche dans ce domaine reste néanmoins très soutenue et très riche. Marquée par de nombreuses ruptures technologiques (introduction des puits quantiques puis des boites quantiques comme matériaux de gain, introduction des milieux lasers unipolaires – cascades quantiques – passage de cavité laser Fabry-Pérot simples à des cavités complexes : DFB, VCSELs, DBR accordables…), l’activité de la communauté s’oriente autour de plusieurs grands thèmes parmi lesquels il est important de retenir :

8.2.1 Amélioration des propriétés de gain du matériau actif

Après la « révolution » apportée par l’introduction des puits quantiques dans les zones de gain au début des années 1980 puis des puits quantiques contraints à la fin des années 1980, ces travaux s’orientent majoritairement à présent selon deux axes principaux qui sont l’introduction de nouvelles géométries de confinement quantique des porteurs et l’introduction de nouveaux matériaux pour réaliser ce confinement quantique. L’obtention de nouvelles géométries de confinement quantique passe par l’obtention de des confinements 0D (quantum dots et quantum dash) et de confinement 1D (fils quantiques), les objectifs visés sont alors non seulement de bénéficier d’une amélioration de seuil et de puissance émise, mais surtout de modifier les performances du composant via ses qualités de gain optique : réduction du chirp par une diminution du facteur de Henry, amélioration des paramètres dynamiques, élargissement du spectre de gain… On classe aussi dans cette catégorie de l’ingénierie du confinement quantique une partie des travaux qui portent sur l’amélioration de la structure des lasers unipolaires à cascade quantique. Ces travaux concernent aussi bien l’amélioration des performances de composants existants et installés (lasers à cascade quantique pour le moyen infra-rouge dans les filières InGaAlAs/InP et GaAlAs/AlGaAs) que la démonstration de nouvelles filières (composants émetteurs inter-sous-bandes dans les filières GaN) ou encore l’extension des performances de filières en cours de maturation (lasers à cascade quantique THz GaAs ou InP, lasers MIR à base d’antimoniures par exemple).

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Un deuxième axe de recherche est la fabrication et l’utilisation de nouveaux composés susceptibles de permettre une amélioration des performances laser par une ingénierie fine des propriétés quantiques du matériau de gain (meilleure symétrie de fonctions d’onde dans des puits quantiques de type II, symétrisation des offsets de bande entre bande de valence et bande de conduction, optimisation des masses effectives des porteurs….). Ces travaux s’appuient sur le développement continu des connaissances en épitaxie, pour proposer des matériaux complexes : quinaires InGaAlAsP sur InP ou GaAs, matériaux fortement contraints incorporant des composés surfactant (InGaAs(N)Sb sur GaAs…), filière ZnO pour le fonctionnement polaritonique….Enfin, certains matériaux, comme le GaN, suscitent encore une activité de recherche intense (travaux sur l’introduction de dopants…) afin d’améliorer les propriétés des émetteurs qui en sont constitués.

8.2.2 Augmentation du spectre d’émission accessible

Ces travaux sont très proches des travaux sur les matériaux et visent à augmenter la gamme d’émission accessible. On cherche ainsi à combler les « gaps » de longueur d’onde sur lesquels l’émission laser à base de diodes semi-conductrices n’a pas encore été démontrée ou bien reste actuellement confinée aux températures cryogéniques. Ces gammes de longueur d’onde sont maintenant étroites et centrées autour de l’UV profond (en dessous de 350 nm), de l’orange (580-620 nm), le moyen infrarouge entre 3 et 5 microns, et enfin vers la gamme THz au-delà de 100µm. Une seconde motivation de ces travaux consiste à étendre la gamme de longueur d’onde réalisable sur un substrat donné, afin de bénéficier de procédés technologiques plus matures donc plus performants ou moins couteux. Ainsi, l’obtention d’une émission laser centrée vers 1,3 µm sur substrat GaAs par l’utilisation de boites quantiques ou de composés à base d’InGaAsN a été l’objet d’une activité de recherche dynamique ces dernières années.

8.2.3 Amélioration des performances des composants, obtention des performances ultimes

Dans la continuité des travaux de ces dernières années, il s’agit ici d’optimiser et d’améliorer toujours les performances des diodes laser. En fonction des domaines d’application, les performances visées adressent la puissance totale (empilements de diodes laser de plusieurs centaines de W), l’efficacité à la prise ou le rendement de conversion optique/électrique qui devrait atteindre 80%, la très faible consommation (VCSELs…), la luminance (forte puissance dans un mode optimisé et aisément couplée à une fibre), la bande passante en modulation directe (plusieurs dizaines de GHz), la linéarité et le faible bruit (applications radio sur fibre, DFB de très faible RIN), la génération d’impulsions courtes à très fort taux de répétition (plusieurs centaines de GHz), l’accordabilité large ou fine (géométries DBR, multisection….)… Ces travaux s’appuient sur des besoins applicatifs forts (lasers solides pompés par diodes notamment, mais aussi l’utilisation directe des diodes laser en usinage de matériaux qui requiert dans ce cas des sources à la fois très puissantes et de très bonne qualité spatiale) et leur très grande variété illustre la dissémination des diodes laser dans de nombreux domaines de la vie courante. Les travaux visent d’ailleurs le plus souvent une optimisation combinée de plusieurs paramètres, à même d’obtenir une adéquation parfaite entre la source et l’application.

8.2.4 Ruptures technologiques : VECSELS, Cristaux photoniques, micro-lasers

En parallèle des axes d’optimisation cités ci-dessus, certains travaux explorent des voies de rupture qui permettent des gains de performance de plusieurs ordres de grandeur. Ainsi, les projets de R&D sur les lasers à semiconducteur pompés optiquement en cavité externe (VECSELs), qui sont à la frontière entre les diodes laser et les sources laser solide, rendent aujourd’hui disponibles des sources à la fois de très forte puissance (quelques W), de bonne qualité de faisceau et de faible encombrement. Ces composants présentent également un potentiel intéressant pour la réalisation de lasers bi-fréquence On trouve aussi dans cette catégorie les travaux menés activement sur les micro-sources à cristaux photoniques. On utilise ici les avancées des micro-technologies et de la nanophotonique pour réaliser des sources laser proposant de nouvelles propriétés non seulement de compacité, mais aussi de faisceau (laser à exciton, sources laser de photons jumeaux, lasers bi-couleur….). Diverses versions de microlasers ont été étudiées, en particulier en France, en exploitant des résonateurs optiques de type microsphères, permettant d’atteindre des seuils ultimes, ou des microdisques, que l’on peut alimenter électriquement et intégrer dans une filière silicium, ou bien encore des cristaux photoniques, qui permettent par exemple d’atteindre des volumes de confinement

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ultimes. La possibilité de contrôler l’émission de la lumière vers des guides d’onde ou des fibres optiques a par ailleurs récemment été démontrée. Dans ce domaine, on peut citer quelques exemples d’activités émergentes qui mériteraient d’être encouragées. Les propriétés uniques offertes par les cristaux photoniques ou les structures similaires, notamment en terme de contrôle de la dispersion, de la vitesse de propagation, pourraient être exploitées pour réaliser des lasers plus intégrés et plus compacts. Il est à noter que la réalisation d’électrodes sur des micro-composants à cristaux photoniques reste un point délicat. Ensuite, en exploitant des nanostructures photoniques métallo-diélectriques, supportant par exemple des plasmons de surface, il est possible de réaliser de nouveaux types de lasers, éventuellement ultra-compacts, et comportant par construction une ou des électrodes. Par ailleurs, il peut être opportun d’envisager l’intégration de ces microlasers dans de véritables circuits et systèmes intégrés photoniques complexes, ou bien leur utilisation pour réaliser des capteurs spectroscopiques.

8.2.5 Intégration photonique (interne/externe)

Enfin, d’autres travaux actuels réalisent des intégrations optiques à deux niveaux différents. Tout d’abord à proximité immédiate d’une source laser à semi-conducteur, en intégrant des éléments optiques additionnels actifs ou passifs une cavité étendue au-delà du semi-conducteur pour mieux bénéficier de ses performances ou améliorer ses fonctionnalités : sources lasers de puissance à grande stabilité spectrale (FBG en mode pulsé, source stabilisées à cavité externe, doublage de fréquence intra-cavité, etc.). Il convient également de citer les efforts de recherche menés pour aboutir à des niveaux de puissance nécessaires à des applications de type usinage des matériaux. Pour progresser dans cette voie, le multiplexage d’un grand nombre d’émetteurs semiconducteurs est une approche prometteuse est différentes techniques, basées par exemple sur le filtrage en cavité externe ou des concepts de recombinaison cohérentes sont à l’étude. Ensuite, en intégrant monolithiquement ces fonctions optiques sur le semi-conducteur lui-même en parallèle sous forme d’émetteurs (barrettes) ou à travers des sections dédiées en ligne comme la sélection en longueur d’onde (réseau DFB), la modulation très haute fréquence (20 GHz et au-delà) pour les transmissions télécom (modulateurs électro-absorbant ou interférentiel), l’accordabilité (DBR) et l’amplification (SOA intégré). Ces deux topologies parallèles et en ligne se rejoignent de fait dans les projets de circuits intégrés photoniques les plus avancés. Ils font alors appel à des travaux sur la combinaison des faisceaux à travers des multiplexeurs optiques dont le schéma d’intégration peut-être hybride ou monolithique selon l’approche retenue. Les champs thématiques de recherche sur les diodes laser sont donc extrêmement larges. Ils englobent tous les champs possibles d’augmentation des performances, depuis le packaging avancé et l’intégration hétérogène des composants, jusqu’aux travaux sur les matériaux en constituant le cœur. Dans la lancée des ruptures technologiques précédentes, des avancées spectaculaires de leurs performances sont notamment attendues de l’introduction des nanomatériaux (boites quantiques, cristaux photoniques…) dans leur structure.

8.2.6 Lasers à cascade quantique

Le développement récent des lasers à cascade quantique (LCQ) permet d’envisager des perspectives très prometteuses qui amènent à une véritable rupture technologique notamment dans le domaine de l’infrarouge thermique et des fréquences THz (contremesures, détection de polluants et de matières dangereuses,…). Les perspectives pour les LCQ doivent, en grande partie, être ciblées vers des applications qui sont aujourd’hui suffisamment bien identifiées et qui sont listées ci dessous. Pour les contremesures (LCQ moyen infrarouge), il s’agit d’améliorer: • la puissance de sortie Il s’agit essentiellement d’un problème technologique, qui se base sur la réduction des pertes optiques (a ≤ 1cm-1) par (i) des procédés de fabrication optimisés et (ii) une réduction des concentrations électroniques dans les régions actives. • le rendement à la prise Pour ce point il est nécessaire d’effectuer une étude approfondie à la fois théorique et expérimentale sur le transport, et de concevoir des nouveaux dessins quantiques susceptibles d’optimiser l’injection des électrons dans la région active.

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• la qualité de faisceau Des nouveaux guides d’onde doivent être proposés afin de préserver le fonctionnement monomode, même en présence de très fortes densités photoniques. La compréhension de la saturation du gain en fonction de la puissance optique est un élément essentiel pour pouvoir garantir la qualité spatiale des modes optiques dans les lasers à ruban. Des nouvelles solutions, basées sur les concepts des cristaux photoniques et/ou sur la plasmonique, pourrait donner vie à une nouvelle classe de dispositifs alternatifs aux émetteurs à ruban. De plus, à cause des règles de sélections des dipôles intersousdandes, les cristaux photoniques sont la seule solution pour extraire la lumière par la surface. La détection de polluants et de matières dangereuses est une autre application bien identifiée des lasers à cascade quantique. Pour cette application, il s’agit notamment de progresser sur l’accordabilité et le contrôle de la largeur de raie d’émission. Des recherches sont à mener sur différentes architectures (cavité externe, DFB notamment) permettant d’atteindre les objectifs de performances visés pour cette application. Enfin, la recherche de nouveaux types d’hétérostructures reste un thème de recherche essentiel. Cet effort est motivé soit par le besoin d’étendre la couverture spectrale des lasers vers les courtes longueurs d’onde avec la filière antimoniure, soit par la recherche de nouveaux alliages, tels que les matériaux barrières sans Al, (par exemple InAsSb sur InP) pour des dispositifs plus fiables. Pour les dispositifs THz, qui n’ont pas encore rejoint la maturité des lasers dans l’infrarouge moyen, il est indispensable de continuer à poursuivre des études fondamentales portant sur la physique du composant. Dans cette gamme de fréquences, le principal enjeu est la température de fonctionnement. Un travail de fond sur le dessin quantique et sur le transport électronique est nécessaire pour l’amélioration des performances en température. Certains concepts de physique, qui peuvent être à l’origine de la forte dégradation en fonction de la température, doivent être approfondis. En particulier le poids d’une possible émission stimulée de phonons qui peut être à l’origine de temps de vie extrêmement court des états électroniques. Le guidage des ondes THz est essentiellement basé sur l’interaction entre les métaux et la radiation électromagnétique, comme dans le cas des hyperfréquences. Tous les concepts liés aux antennes et aux impédances propres des hyperfréquences peuvent donc être opportunément exploités par un « scaling down » des dimensions physiques des composants. Cela permettra de faire avancer plus rapidement la technologie THz. Un autre objet d’investigation dans la gamme THz est la conception de méta-matériaux. Les technologies de lithographie et de fabrication permettent de réaliser ces matériaux dont les propriétés physiques consentent un contrôle sans précédent des faisceaux optiques. Par ailleurs, ces LCQ THz présentent un intérêt important pour les communications à très courte distance, sécurisées par l’absorption atmosphérique, par exemple pour les nanoréseaux indoor. L’objectif ici consiste à mieux comprendre les performances offertes par les lasers à cascade quantique en terme de bande passante de modulation qui peuvent dépasser les 50 GHz, grâce au court temps de vie des électrons dans les états excités de la structure. Des recherches sont par ailleurs à poursuivre sur le fonctionnement en blocage de modes actif qui permettrait d’augmenter sensiblement les puissances crêtes.

8.2.7 Recensement

• Laboratoires français LAAS (Toulouse), FOTON (Lannion), IEF (Orsay), INL (Nice), LMPQ (Paris), IES (Montpellier), CEA-LETI (Grenoble), LPN (Marcoussis), Supelec (Metz), Georgia Tech Lorraine (Metz) • Conférences CLEO US, CLEO Europe, Photonics West, ICSL (International Conference on Semiconductor Lasers), CLEO Focus Meeting on New Frontiers in Photonics, ECOC et ECIO, JNOG (journées nationales d'optique guidée). • Industriels français III-V Lab (Palaiseau), Thalès (Palaiseau), 3S Photonics (Nozay)

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8.3 Diodes électroluminescentes inorganiques (LED)

Ce sont les applications liées à l’éclairage (automobile, éclairage public, et bientôt éclariage domestique, commercial et au travail) qui tirent l’essentiel des développements dans le domaine les LEDs inorganiques. C’est l’avènement de la famille du GaN (AlGaN, GaN, INGaN) dans les années 1990 qui a crédibilisé les LEDs sur ce marché, dépourvue de véritable source bleue jusque là. C’est cette famille qui a permis en quelques années au critère de base (le nombre de lumen par watt) de rejoindre puis dépasser les deux concurrents classiques des LEDs que sont tungstène historique et le fluorescent « néon », avec un potentiel au-delà des 100 lumen/W. L’objectif scientifique consiste à obtenir des sources dans le visible de forte puissance et brillance et présentant un rendement à la prise maximal. Dans les années 2000, l’utilisation de LED blanche dans l’éclairage arrière (« backlight ») de quelques milliards de téléphone portable couleurs a tiré le marché. Aujourd’hui, les lois d’échelle des puces sont de mieux en mieux connues, et l’on parle d’«ampoule à LED» car il n’y a plus de doute que le marché de l’éclairage basculera tôt ou tard ver les LEDs. La méthode de loin la plus utilisée pour obtenir un éclairage blanc est l’association d’un convertisseur (« phosphore ») de couleur jaune, déposé sur la LED elle-même, qui émet dans le bleu. La recherche sur les convertisseurs eux-mêmes est un domaine scientifique d’intérêt, car les « recettes » utilisées pour les néons (tubes fluorescents) ou encore les scintillateurs n’ont pas été exprimées scientifiquement de façon générique et restent à l’état de savoir-faire d’ingénieur. Les ingrédients sont des terres rares (Ce, Eu) ou des inorganiques spécifiques. Le dosage permet de fabriquer des blancs plus ou moins chauds, de température de couleur contrôlée entre 3000 et 7000 K, et d’indice de rendu des couleurs (CRI) entre 75 et 95. Les inconvénients concernent la variation de la couleur avec l’angle de vue, voire le vieillissement différentiel de l’émission, avec un jaunissement qui s’accentue, en raison aussi d’une attaque UV de l’epoxy d’enrobage. Les industriels tentent de s’organiser pour définir un standard. La taille des puces à atteindre pour des ampoules est de l’ordre de 1 à 3 mm2, ce qui pose des questions de refroidissement étant donné les densités de courant atteignant 1A. Le rendement en laboratoire dépasse 150 lumen/Watt, à l’aide des raffinements sur l’extraction de la lumière. C’est en effet le goulot principal dans le rendement: si la lumière est générée très efficacement à l’intérieur de la puce, sous forme bleue, elle reste prisonnière et est majoritairement réabsorbée, seule 5 à 20% quittant utilement la puce pour des solutions « triviales » de montage de la puce. Parmi les solutions visant à améliorer le rendement d’extraction, on peut citer l’hétérostructure comprenant généralement un guide d’onde en GaN assez épais sur saphir pour extraire les modes retenus dans ce guide. Pour des guides épais, des structures à cristaux photoniques (ou autre nanostructuration) sont très efficaces mais leur implémentation hors laboratoire reste délicate (perforation /dépôt proche des couches actives), bien qu’un fabricant prétend vendre des LEDs à cristaux photoniques comme sources de « backlighting » d’écran LCD. Des rendements de 73% d’extraction pour une LED vraiment électriquement injectée ont été publiés récemment. La solution des microcavités planaires, étudiée en son temps en France, nécessite des structures très minces et très délicates (applicables aux OLEDs, dans une certaine mesure !). Pour l’augmentation de la brillance, la densité de courant est le facteur limitant. Pour les puces standards de 1mm2, il faut lutter contre une perte de rendement à haute injection (> 10 A/cm2), attribuée soit à l’effet Auger à haute concentration de porteurs soit à la mauvaise qualité des barrières GaN/AlGaN, qui laissent fuir les électrons parvenus dans la zone active. Cela continuera d’être un enjeu majeur pour les différentes générations de LEDs. Pour les applications grand publics des LEDs blanches, les fabricants sont conscients que les obstacles sont dans (i) la simple standardisation des blocs d’éclairage (module d’alimentation, encastrage) qui tireraient vraiment profit des LEDs (moins de hauteur sous plafonds que les actuels solutions fluorescentes ou xénon, ce qui se traduit par des centaines de tonnes de béton en moins dans un immeuble !) et (ii) l’acceptation du public, via l’actuel tentative de substitution des filaments tungstène par les CFL (Cold Fluorescent Lamp), au format compatible, tout en évitant une exagération des promesses affichées pouvant induire le public en erreur sur un élément très sensible de ses habitudes de vie, dans un contexte de technophobie relative. En parallèle du développement des LEDs bleues et bleues-blanches, une autre solution consiste à mélanger trois couleurs primaires, typiquement rouge, vert et bleu. Dans le but d’améliorer le rendement d’extraction, des LEDs rouge AlInGaP utilisant des technologies de film « mince » (20 microns) sont développés. Le Vert est formé soit à partir d’InGaN, soit de GaP. Mais le problème

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réside dans l’absence de matériaux pour des LEDs à bons rendements entre 520 nm et 590 nm, du vert franc à l’orange. Le marché des LEDs « trois couleurs » concerne le « backlighting » pour écrans LCD pour parvenir à un rendu des couleurs meilleurs que les CFLs actuels, la projection et l’éclairage spécialisé (architectural, médical…) au delà de celui de la signalisation déjà bien conquis. Pour la projection, par exemple, on trouve déjà des mini projecteurs à LEDs qui fournissent sur un mètre carré environ l’image issue d’un téléphone portable, proposant un nouvel écran à cet ex-jouet informatique. Or c’est un objet de référence qui est aujourd’hui plus répandu que l’ordinateur dans un pays comme l’Inde, dont de vastes populations auront ainsi contourné « l’âge du PC ». Le futur moniteur de famille en Inde pourrait donc être un projecteur à LED relié à un portable. Enfin, les LEDs UV à base d’AlGaN progressent dans les deux axes d’un diagramme longueur d’onde - puissance, atteignant 250 nm d’un côté et la centaine de mW pour des longueurs d’onde au-delà de 300 nm. Les applications concernent la stérilisation et la décontamination. La stérilisation des eaux dans les pays pauvres pourrait être un marché majeur de ces LEDs UV, couplé à l’énergie solaire. Le marché est encore très mobile et fluctuant à l’aube de restructurations majeures dictées par les incertitudes sur l’adoption du grand public et les économies d’échelles à venir : grands substrats (GaN ou saphir ?), bons rendements (épitaxie, architecture optique, nanostructuration), haute puissance et rendu des couleurs optimal (phosphore, puces complexes). Le rôle de l’extraction de la lumière reste crucial, avec des exigences qui se déclinent par application, et où la prospective est délicate. En une décennie, les LEDs auront ainsi acquis un droit de cité chez le chercheur et le physicien, -- en lieu et place de la diode laser pour beaucoup de ces derniers --, rôle plus en phase avec leur part très majoritaire dans le marché de l’optoélectronique semi-conducteur, et qui le restera sans doute. Sur le plan scientifique, un travail est à mener pour la conception de nouvelles hétérostructures, l’amélioration des matériaux et des techniques d’épitaxie. L’utilisation de matériaux nanostructurés ou de géométries complexes pour améliorer les rendements d’extraction de la lumière produite constitue également un sujet prometteur.

8.4 Diodes électroluminescentes organiques (OLED)

Apparues il y a tout juste 20 ans (en 1987), les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) figurent aujourd’hui comme une technologie émergente pour l’affichage et au fort potentiel de développement pour l’éclairage. Les performances acquises aujourd’hui par les displays OLED sont supérieures à celles de leurs homologues LCD ou plasma, que ce soit en termes de luminance, pureté des couleurs ou d’angle de vue. Des rendements internes de 100% (un photon produit pour un électron injecté) sont obtenus en routine grâce aux matériaux phosphorescents. Les limitations en terme de rendement externe (~20%) viennent principalement du problème de l’extraction lumineuse, tout comme dans les diodes inorganiques : des recherches prometteuses sont à poursuivre dans ce sens, par exemple via la nanostructuration. La question de la durée de vie, qui a longtemps été le talon d’Achille de cette technologie en raison de l’extrême sensibilité des composés organiques à l’oxydation et à une faible tenue au courant, est maintenant en passe d’être réglée : alors que des dispositifs commerciaux affichant plusieurs milliers d’heures de fonctionnement sont déjà disponibles sur le marché (écrans de téléphones portables, lecteurs multimédia, et depuis 2007 écrans de télévision), les OLEDs à la pointe de l’état de l’art des techniques d’encapsulation présentent des durées de vie de l’ordre du million d’heures. Il reste toutefois un problème intrinsèque de vieillissement différentiel des différentes couleurs, les émetteurs bleus étant par essence plus fragiles que les émetteurs verts ou rouges. La communauté bénéficie aujourd’hui d’une banque de matériaux performants mais relativement limitée : il parait essentiel de poursuivre la recherche collaborative physiciens/chimistes visant à enrichir la famille des matériaux pour l’optoélectronique organique. Pour réellement s’affirmer comme une technologie de rupture, des résultats sont particulièrement attendus du côté de l’éclairage, où les OLEDs blanches n’ont pas de concurrent direct tant elles constituent des sources à la fois efficaces (de l’ordre de 60 lumen/Watt actuellement, l’objectif étant de dépasser les 100 lm/W pour concurrencer directement les tubes fluorescents), économiques, et réalisables sous forme de « feuilles de lumière » de très grande surface, potentiellement souples voire enroulables. L’éclairage représentant presque 10% de la consommation nationale totale en électricité, elles représentent une solution pertinente pour les économies d’énergie.

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Un des aspects les plus spectaculaires des OLEDs, mais paradoxalement encore peu exploré, est la possibilité de réaliser les dispositifs sur tout type de substrat, y compris souple, voire de réaliser des dispositifs transparents (TOLEDs) aux fonctionnalités multiples. Il est vraisemblable que scientifiques et industriels sauront trouver dans ces sources lumineuses façonnables au gré des applications visées des perspectives nouvelles d’innovations qui iront au-delà de l’éclairage domestique. Par ailleurs, de nombreux travaux explorent actuellement les composants hybrides organiques/inorganiques, couplant par exemple émetteurs organiques et nanoparticules inorganiques pour la conversion de fréquence. Enfin, d’importants efforts se focalisent vers la réalisation de diodes laser organiques, dans le but d’obtenir des émetteurs laser économiques et largement accordables en longueur d’onde sur tout le spectre visible. Après avoir exploré de manière infructueuse des solutions directes d’injection de courant pendant les quinze dernières années, la communauté se tourne désormais également vers des solutions hybrides très prometteuses, à base par exemple de LED inorganiques pompant des structures semiconductrices organiques.

8.4.1 Recensement

• Laboratoires français : LPICM (Palaiseau), CEA LETI (Grenoble), LPL (Villetaneuse), LPQM (Cachan), IMS (Bordeaux), INSP (Paris), XLIM (Limoges), LAPLACE (Toulouse), CEA LITEN, IEMN (Lille) • Conférences : Voir la liste sur : http://www.oled-info.com/events, OSC, LOPE-C, ICEL (International Conference on Electroluminescence of Molecular Materials and Related Phenomena), ICOE (International conference on Organic Electronics) et les sessions "photonique organique" ou "oleds" dans les grandes conférences telles que : SPIE Photonics West, CLEO US et Europe, MRS (congrès de la Material Research Society), E-MRS (équivalent européen), EOS Meeting Conférences nationales : "Matériaux et nanostructures pi-conjugués" (MNPC) et "Dispositifs Electroniques organiques" (DIELOR) • Industriels français : - Microoled (Grenoble) - Astron-FIAMM safety (Toulon)

8.5 Sources lasers à l’état solide

Ce paragraphe aborde les sources laser à base de matériaux solides (cristaux ou fibres) pompés optiquement par diodes laser de puissance. L’association de ces deux sous-ensembles permet d’améliorer sensiblement la luminance car la cavité laser joue le rôle de convertisseur de mode spatial, et de produire des impulsions lumineuses de forte intensité crête par l’intermédiaire des régimes déclenchés ou à verrouillage de mode.

8.5.1 Lasers solides pompés par diodes

Le développement des lasers solides est directement liés aux avancées en cristallogenèse de nouveaux matériaux et aux immenses progrès des diodes laser de puissance conduisant à des avancées importantes en fiabilité, rendement électrique optique et donc en compacité. Pour ces raisons, les lasers solides pompés par diodes tendent à remplacer progressivement les lasers solides pompés par lampe, par exemple pour l’usinage des matériaux. En effet, l’amélioration des performances des sources pompées par diode a permis de fortement réduire les coûts de fabrication dans des secteurs-clefs comme l'automobile ou l'aéronautique (entre autres) tout en apportant une plus grande flexibilité. Avec l’avènement de nouveaux matériaux comme les céramiques laser ou les monocristaux à faible défaut quantique, des progrès importants sont attendus dans le domaine des lasers de puissance, en terme notamment de puissance de sortie et de rendement à la prise. De nouvelles géométries de pompage, telles que le «disque mince» ou les «slabs» permettent une meilleure gestion des problèmes thermiques. De même de nouvelles configurations de pompage directement dans les niveaux haut des transitions laser permettent de réduire la charge thermique. Des études sur de

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nouvelles géométries visant à améliorer le comportement thermique des sources lors de la montée en puissance moyenne sont nécessaires. Contrairement aux diodes laser qui ne fonctionnent qu’en régime continu ou quasi-continu, les lasers solides pompés par diodes permettent, par un stockage de l’énergie de pompe dans l‘état excité de l’ion actif, de produire des impulsions de lumière très courtes (ns) et très intenses pour de nombreuses applications en usinage. Les travaux s’orientent vers une montée en cadence pour accélérer les procédés, conduisant à une augmentation des charges thermiques. La recherche de nouvelles solutions ‘tout solide’ (couple diode laser – matériaux actifs) pour couvrir de nouvelles fenêtres spectrales constitue un autre thème de recherche très actif et à encourager. Alors que les lasers à base de cristaux de saphir dopé au titane ont révolutionné le monde des lasers à impulsions ultracourtes et sont leaders pour les sources lasers de laboratoire, un important travail de recherche doit être mené sur la réalisation de sources femtoseconde directement pompées par diode destinées aux applications industrielles (micro-usinage athermique, micro ou nano fabrication).

8.5.2 Lasers à fibre

Bien que les premières démonstrations du laser à fibre remontent à plus de 30 ans, ce n’est que récemment que cette technologie a démontré tout son potentiel grâce à deux développements technologiques majeurs : la maîtrise de la fabrication des fibres à structure double-gaine et la montée en puissance des diodes laser de pompe. De plus, ce secteur a bénéficié des développements technologiques liés à l’essor des télécommunications optiques à la fin des années 2000. Le principe des lasers à fibre double-gaine est une élégante solution pour gérer les problèmes thermiques et optimiser le rendement de pompage optique/optique. La structure double-gaine joue le rôle de convertisseur de mode spatial en transformant le rayonnement multimode des diodes laser de pompe en un mode spatial limité par diffraction et la longueur de plusieurs mètres du milieu amplificateur permet de répartir efficacement la charge thermique. De plus l’utilisation de fibres dopées ytterbium permet de réduire le défaut quantique et donc la charge thermique déposée. Enfin les potentiels d’intégration et d’insensibilité à l’environnement de ces sources sont élevés ce qui a accéléré le développement de laser continu de très forte puissance principalement pour des applications d’usinage de matériaux. La technologie des lasers à fibres continus de forte puissance a atteint un grand degré de maturité pour les applications industrielles. Par contre, en régime impulsionnel (ou pour les sources à spectre fin pour les applications de lidars cohérents) les non linéarités optiques (effet Raman, effet Brillouin, automodulation de phase) générées par le confinement de l’onde dans le cœur actif de grande longueur restreint le potentiel des lasers à fibres impulsionnels. Il faut donc développer des structures à large aire modale en exploitant les spécificités des fibres microstructurées tout en réduisant au maximum la longueur du milieu amplificateur, ce qui nécessite d’améliorer les propriétés thermiques des fibres, comme c’est le cas par exemple pour la structure de type «rod-type» où la gaine externe en polymère est remplacée par de la silice. Les technologies fibrées offrent un potentiel extrêmement riche qui est loin d’être épuisé sur le plan scientifique. Ainsi, des perspectives intéressantes sont identifiées pour augmenter l’aire du mode fondamental et réduire les effets non linéaires. De plus, la technologie des fibres microstructurées permet une « ingénierie » de la dispersion utile en régime impulsionnel et l’étude de nouveaux matériaux comme les fibres en verre de chacolgénure qui visent à ouvrir de nouvelles fenêtres spectrales dans l’infrarouge. Ces développements permettront la mise au point de sources plus puissantes, avec de meilleur rendement électrique-optique, d’accéder à des régimes impulsionnels et d’accéder à de nouvelles fonctionnalités comme la génération de supercontinuum dont les applications en biophotonique et en métrologie sont prometteuses. L’objectif ultime des technologies lasers fibrées consiste à pousser l’intégration à ses limites en supprimant toute propagation en espace libre, en incluant le transport. Pour dépasser les limites intrinsèques des ces fibres en régime impulsionnel, de nombreux travaux sont menés actuellement sur des techniques innovantes de recombinaison spectrales et cohérentes et sur des structures multicoeur. L’utilisation des fibres pour la réalisation de sources laser femtoseconde haute cadence constitue un autre thème prometteur. Il n’y a pas d’opposition frontale entre les lasers à fibres et les lasers à base de cristaux massifs car chaque technologie possède ses propres avantages : forte puissance moyenne pour les lasers à fibres et forte énergie pour les lasers à cristaux massifs et il est même probable que des schémas hybrides de systèmes lasers seront développés pour exploiter au maximum les spécificités de chaque technologie (front end en technologie fibrée suivit de booster à partir de matériaux massifs). On

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observe même un rapprochement des deux technologies avec les développements des fibres phosphate autorisant un très fort dopage, les fibres de type «rod-type» ou les fibres monocristallines.

8.5.3 Conversion non linéaire

Parfait complément aux lasers, l’optique non linéaire permet d’étendre la couverture spectrale des lasers solides pompés par diode dont l’émission se restreint principalement dans le proche infrarouge. L’utilisation de cristaux non linéaires en configuration intracavité pour les lasers continus ou extracavité en régime impulsionnel permet de produire un rayonnement laser visible ou ultraviolet, domaine spectral où les applications industrielles sont importantes. De même, les techniques d’oscillation ou d’amplification paramétrique optique offrent un potentiel intéressant pour accéder à des fenêtres spectrales infrarouges non accessibles directement tout en offrant en plus une large plage d’accordabilité. La mise au point de cristaux non linéaires en configuration de quasi-accord de phase (ppLiNbO3, ppKTP ou ppGaAs) a révolutionné ce domaine, mais un effort continu doit être poursuivi pour développer de nouveaux matériaux non-linéaires, principalement dans l’UV où les applications sont nombreuses et imaginer de nouvelles architectures de sources permettant d’optimiser les performances de ces sources. Des techniques d’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA) commencent à émerger pour la mise au point de lasers à impulsions ultracourtes car permettant d’amplifier des impulsions ultracourtes sans rétrécissement spectral. Enfin, le développement de fibres microstructurées a ouvert des schémas de génération de continuum spectral en exploitant les nonlinéarités du troisième ordre et un contrôle précis de la dispersion. Ces sources de lumière blanche (s’étalant de l’UV à l’infrarouge) à forte cohérence spatiale présentent de nombreuses applications par exemple en spectroscopie, métrologie (peignes de fréquence) ou biophotonique.

8.5.4 Recensement

• Laboratoires français CORIA (Rouen), LCFIO (Palaiseau), CELIA (Bordeaux), LOA (Palaiseau), LULI (Palaiseau), XLIM (Limoges), FEMTO-ST (Besançon), ICB (Dijon), LAC (Orsay), LOB (Palaiseau), LPMC (Nice), CPMOH (Bordeaux), ONERA (Palaiseau et Chatillon), CIMAP (Caen), LP3 (Marseille), LCMCP (Paris), LPCML (Lyon), Institut Fresnel (Marseille), Institut Neel (Grenoble), ICMCB (Bordeaux), IRCICA (Lille), PHLAM (Lille), LMOPS (Metz), IRSAMC (Toulouse), LASIM (Lyon), POMA (Angers), LHC (St Etienne), FOTON (Lannion), PERFOS (Lannion), IPR (Rennes), CEA CESTA (Le Barp), CEA IRAMIS (Saclay) • Programmes Réseau des Technologies Femtosecondes (RTF) de la MRCT CNRS Réseau Cristaux Massifs et Dispositif pour l’Optique (CMDO) de la MRCT CNRS • Conférences CLEO US, CLEO Europe, Photonics West, Photonics Europe, Advanced Solid State Photonic, Europhotons, ICUIL, Ultrafast Optics, EOS Topical Meeting on Lasers, JNCO (journées nationales des cristaux pour l’optique), JNOG (journées nationales d'optique guidée) • Industriels français Thales RT (Palaiseau),Thales Optronique (Elancourt), Quantel (Les Ulis), Cilas (Orléans), Sagem, Osyris (Lille), Oxxius (Lannion), Amplitudes Systèmes (Bordeaux), Amplitudes Technologies (Evry), Eolite Systems (Bordeaux), Keopsys (Lannion), Manlight (Lannion), Teem Photonics (Grenoble), Fibercryst (Lyon), Leukos (Limoges), Horus (Limoges), Azur Light Systemes (Bordeaux), Ixfiber (Lannion), Fastlite (Paris), Idil (Lannion)

8.6 Sources de lumière extrême

8.6.1 Grands instruments laser

Rapidement après la découverte de l’effet laser et des techniques de génération d’impulsions courtes (Q-switching, mode-locking), il a été possible, dés la fin des années 70, de produire des impulsions

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ultracourtes (de 10-9 à 10-12 s) de fortes énergies et d’atteindre ainsi des éclairements sur cible de l’ordre de 1015 W/cm2. Après une période de stagnation des performances, deux découvertes majeures au milieu des années 90 sont à la base d’une véritable révolution dans le domaine des lasers à impulsions ultracourtes : la découverte de la technique d’amplification à dérive de fréquence (1985) et des cristaux de saphir dopé au titane (1986). En 20 ans, plus de six ordres de grandeur ont été gagnés pour atteindre des éclairements sur cible de l’ordre de 1021 W/cm2. Ces sources lasers ont acquis une maturité technologique suffisante pour pouvoir être utilisées dans des domaines de plus en plus vastes. En dehors des applications classiques en physique et chimie (spectroscopie non linéaire résolue en temps), ces lasers ont permis des progrès considérables dans l'étude de l'interaction laser-matière à très haute-intensité, avec des retombées dans des domaines très divers (physique des plasmas, physique atomique, astrophysique), mais aussi dans la génération de sources secondaires (rayonnement XUV, X, sources d’électrons, de protons, rayonnement gamma..). Des impulsions de moins de 100 attosecondes peuvent être produites par génération d’harmoniques d’ordres élevés. Des schémas d’accélérateurs laser-plasmas compactes produisant des faisceaux d’électrons ou de protons de haute énergie sont développés, avec des applications futures dans le domaine médical pour la radiothérapie et la protonthérapie, dans le domaine de la science des matériaux pour l’inspection non destructive de la matière dense par radiographie γ ainsi que dans le domaine de la chimie pour la radiolyse à des échelles de temps sub-picoseconde Les sources lasers femtosecondes trouvent également des applications très importantes dans des domaines non prévus initialement comme la microscopie de fluorescence par absorption à deux photons, la chirurgie réfractive de la cornée en ophtalmologie, le micro-usinage athermique pour le traitement des matériaux ou la métrologie des fréquences. Même si la majorité des sources lasers d’impulsions ultracourtes sont basées sur l’utilisation de cristaux de saphir dopé au titane comme milieu amplificateur, des solutions à base de cristaux et/ou fibres dopées ytterbium ou erbium sont développées. En effet, dans le but d’accéder à des marchés industriels, il est nécessaire d’améliorer la compacité, la simplicité et le rendement électrique/optique global de ces sources. Il est alors obligatoire de passer par le pompage optique direct par diode lasers de puissance de nouveaux matériaux laser, permettant également de mettre au point de sources fonctionnant à très haute cadence (par une meilleure gestion des effets thermiques), condition indispensable pour accéder à de nombreuses applications industrielles. En se basant sur des collaborations étroites avec les laboratoires de recherche français, à la pointe dans ce domaine, les industriels français du secteur occupent une position de leaders pour les chaînes lasers de forte énergie mais aussi pour les lasers à vocation plus industrielle. Le projet de l’Institut de la Lumière Extrême (ILE), initiative francilienne des laboratoires du Plateau de Saclay et soutenu par le contrat de plan Etat-Région, a pour ambition de développer, à l’horizon 2014, une infrastructure laser de puissance unique au monde pour la physique de l’extrême. Ce laser délivrera des impulsions de 1016 W ou 10 Petawatt pour une énergie de 150 Joules en 15 fs et une cadence de 1 tir par minute. ILE permettra l’étude fondamentale de l’interaction laser-matière à des des éclairements sur cible encore inexplorées supérieures à 1023 - 1024W/cm² correspondant à un nouveau régime encore inexploré : le régime Ultra relativiste. ILE devrait également fournir des sources uniques de radiation et de particules et favoriser l’émergence de nouveaux domaines de recherche dans des axes pluridisciplinaires. En plus des retombées scientifiques, ce projet aura également des retombées industrielles car dans de nombreux domaines (cristaux amplificateurs et non linéaires, réseaux de diffraction, lasers de pompage, pompage par diodes, métrologie aux temps courts) la technologie devra être poussée au-delà des limites actuelles pour répondre aux objectifs de performances annoncées. Le projet ILE est fortement couplé au projet européen ELI (Extreme Light Infrastructure) devant en être le précurseur et l’attracteur. Le projet ELI dont l’initiative revient à la France (par l’intermédiaire des laboratoires du plateau de Saclay) est une « Grande infrastructure » qui a été proposée à l’Europe. Elle consiste en un laser de classe Exawatt (2 1017 W), vingt fois la puissance du laser de l’Institut de la Lumière Extrême. ELI sera constitué de 10 faisceaux de type ILE. Le projet ELI, unique en son genre, est inscrit sur la feuille de route des « Grands Instruments » européens, est financé à travers sa « phase préparatoire » dans le 7ième Programme Cadre européen (2008-2013) et implique de nombreux laboratoires en Europe. Le projet du laser Mégajoule (LMJ), en cours de construction en Aquitaine, est mené par la Direction des Applications Militaires (DAM) du Commissariat à l'énergie atomique (CEA). L’objectif est de

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produire une énergie de 1,8 Mégajoules dans l’Ultraviolet (351 nm) sur une impulsion de quelques nanosecondes en faisant converger 240 faisceaux sur une cible composée de deutérium et de tritium. La technologie est basée sur des plaques de verre dopé Néodyme (40 par 40 cm) pompées par des lampes flashs et une architecture d’amplification à multipassage. La quantité d'énergie apportée sera suffisante pour provoquer la fusion nucléaire de ces deux isotopes d’hydrogène. Le LMJ est un élément essentiel du programme Simulation (avec le supercalculateur TERA-10), destiné à assurer la pérennité de la dissuasion après l'arrêt définitif des essais nucléaires. Les expériences permettront d’étudier les processus physiques mis en œuvre dans l’étape finale du fonctionnement d’une arme nucléaire. L’installation NIF (National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory), l’équivalent du LMJ aux Etats-Unis, est un peu plus avancée que le LMJ. Le NIF a délivré en Mars 2009 une énergie de 1,1 MJ et les premières expériences de fusion sont prévues pour 2010. Le prototype du LMJ à l’échelle 1 : la Ligne d’Intégration Laser (LIL) est opérationnelle depuis 2003 et délivre une énergie de 30 kJ sur quatre faisceaux. La LIL sert à la fois à finaliser les choix technologiques pour le LMJ, permet au CEA de maintenir des expériences pour la dissuasion nucléaire et est ouvert à la communauté scientifique nationale et internationale, ouverture qui s’amplifiera après la mise en route du LMJ. Un projet de laser Petawatt couplé à la LIL (le projet PETAL pour Petawatt Aquitaine Laser) est actuellement en cours de montage sur la LIL. L’installation PETAL est conçue pour délivrer une énergie de 3,6 kJ dans une durée de 500 fs à la longueur d’onde de 1,053 µm. Le projet PETAL est fortement relié au projet HIPER (High Power laser Energy Research facility) piloté par la Grande Bretagne et dont l’objectif est d’étudier le principe de la fusion nucléaire par confinement inertiel. Le projet HIPER est financé dans sa « phase préparatoire » par la Communauté Européenne (2008-2011). Ce projet se positionne comme une solution alternative au projet ITER qui concerne la fusion nucléaire par confinement magnétique. L’objectif des deux projets HIPER et ITER est bien l’étude d’une source d’énergie alternative aux sources d’énergies fossiles actuelles. Le projet PETAL se positionne en amont du projet ITER pour des études de physique du principe de l’allumage rapide basé sur l’utilisation simultanée d’une impulsion sub-picoseconde de forte puissance crête et d’une impulsion nanoseconde plus énergétique.

8.6.2 Rayonnement synchrotron et laser à électrons libres

Les sources de lumière issues de faisceaux d’électrons relativistes générés par des accélérateurs de particules ont connu un essor significatif, parallèlement au développement rapide des sources laser conventionnelles depuis quarante ans. Ces sources délivrent un rayonnement cohérent de très haute brillance, accordable en longueur d’onde depuis l’infra-rouge jusqu’aux rayons X, de polarisation ajustable, avec des impulsions picoseconde ou femtoseconde (fs). Le rayonnement synchrotron est produit par des électrons relativistes soumis à l’action d’un champ magnétique, soit dans les aimants de courbure, soit dans des dispositifs magnétiques spécifiques (onduleurs) comportant une succession d’aimants alternés, conduisant à un rayonnement nettement plus intense. Les sources dites de troisième génération, comme SOLEIL et l’ESRF en France, utilisent un faisceau d’électrons stockés dans un anneau de stockage depuis lequel ils produisent des faisceaux de photons à haute cadence (de l’ordre du MHz), de faibles dimensions et divergences, offrant un rayonnement intense d’un haut degré de cohérence transverse, et donc de brillance moyenne très élevée 1017-1021 ph/s/mm2/mmrad2/0.1% BW. Les durées d’impulsions sont typiquement d’une centaine de ps à moins de fonctionner dans des conditions particulières d’optique électronique. Des impulsions d’une centaine de fs peuvent également être produites mais avec un flux de photon réduit, suite à l’interaction entre un paquet d’électrons et un laser femtoseconde intense (régime appelé « slicing ») comme cela est prévu à SOLEIL. La lumière est envoyée vers des lignes de lumière, et après sélection d’une bande spectrale grâce à des monochromateurs performants (dE/E ~10-4), est utilisée pour l’étude de la matière sous toutes ses formes (solide, molle, liquide, gazeuse, vivante ou inerte) d’un point de vue fondamental ou appliqué à toutes sorte d’objets. Les utilisations appliquées couvrent ainsi un spectre scientifique extrêmement étendu concernant des domaines aussi variés tels que l’héritage culturel, la cristallographie des protéines, l’imagerie infrarouge dans le domaine médical, la catalyse, l’environnement.., y compris des applications plus industrielles. Les sources dites de quatrième génération utilisent le rayonnement synchrotron émis de façon spontanée par un laser dit à électrons libres (LEL). L’interaction entre le paquet d’électrons, produit par un accélérateur linéaire, et une onde lumineuse (émission spontanée simple, stockée dans une cavité optique ou source laser externe accordée sur l’émission spontanée) permet l’amplification de

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l’onde lumineuse au détriment de l’énergie cinétique des électrons, son affinement spectral et temporel conduisant à un haut degré de cohérence temporelle et spatiale, couplé à une intensité crête élevée et à des impulsions de 10-100 fs. La brillance moyenne (resp. crête) atteint alors 1022-1024 (resp. 1030-1033 ph/s/mm2/mmrad2/0.1% BW), valeurs inégalées par d’autres sources. A Stanford, après le premier LEL oscillateur mis en service dans l’infrarouge, le LCLS utilisant une partie de l’accélérateur de SLAC vient d’obtenir la saturation à 0.15 nm avec moins de 100 m de longueur d’onduleur. En France, le centre serveur CLIO fonctionne dans l’infra rouge entre 1-100 µm pour des études en chimie réactionnelle (photodissociation multiphotonique), en surfaces et interfaces (somme et différence de fréquences), en phase condensée (interactions moléculaires en phase condensée), en physique du solide et en microscopie infrarouge. La partie X dur (< 0.1 nm) sera couverte par la participation française au XFEL européen situé à DESY (Hambourg), dont la construction vient de démarrer et qui sera opérationnel en 2015. Le projet français ARC-EN-CIEL vise à offrir du rayonnement accordable dans le domaine X-mous (jusqu’à 1 nm), par injection des harmoniques générées dans les gaz pour l’analyse des matériaux (magnétisme, spintronique en particulier), la dynamique en photochimie et en photophysique, la catalyse, le suivi de la fonction des protéines dans la cellule. Le concept innovant au cœur du projet, à savoir l’injection du LEL à courte longueur d’onde par les harmoniques générées dans les gaz, a été validé expérimentalement par une équipe franco-japonaise sur SCSS Test Accelerator au Japon.

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9 . DETECTION DE LUMIERE

9.1 Périmètre

La conversion de lumière intervient dans tous les systèmes optiques. Les champs d’application sont donc par conséquent très vastes : les communications et le traitement de l’information, l’observation et l’imagerie (Capteurs CCD pour la téléphonie, caméras IR pour la détection nocturne, …), les équipements grand public (lecteurs DVD, consoles de jeux, …), l’environnement (détecteurs de gaz, rayonnement UV, …), la sécurité (systèmes de détection d’intrusion, …), l’énergie (Cellules photovoltaïques, …), la biologie (détecteurs de biomolécules, ….), … Les caractéristiques de ces moyens de conversion ont un impact direct sur les performances pouvant être atteintes par un système plus global. Il peut également être défini comme l’élément à la frontière des domaines de la photonique et de l’électronique. Les domaines d’application sont donc vastes et il n’est pas possible de donner une liste exhaustive des systèmes de conversion de lumière.

9.2 Détection pour le traitement de l’information haut débit

Dans le domaine des TIC, la demande en nouvelles technologies est grandissante et la majeure partie de la population mondiale souhaite acquérir les dernières avancées en téléphonie, en internet, en multimédia… afin de ne pas être « marginalisée ». En particulier, les services sur internet sont de plus en plus gourmands en débit, comme, la vidéo à la demande, la télévision numérique, le téléchargement de musiques ou films, … La vidéoconférence devient quant à elle, de plus en plus utilisée même pour des besoins privés. Les systèmes de détection répondent très bien à ces nouveaux besoins dans la perspective de convertir des débits de quelques dizaines actuellement à quelques centaines de Gbit/s dans un futur proche. L’objectif principal dans ces systèmes est d’optimiser le rapport signal à bruit (SNR : signal to noise ratio) et d’allier une forte sensibilité dans une gamme de longueur d’onde très vaste (de 850 nm à 1.7 µm) et une grande bande passante pour les générations futures. De nombreuses études ont été menées dans la définition de tels détecteurs, principalement en semi-conducteurs III-V, de nouvelles avancées ont également été obtenues dans les matériaux IV-IV. Une autre approche est l’intégration hétérogène de photo-détecteurs III-V sur silicium par collage moléculaire, épitaxie, report par thermo-compression… Ceci permet de tirer parti des propriétés intrinsèques de des matériaux III-V, tout en bénéficiant du potentiel à la fois technologique et fonctionnel de l’intégration avec une plateforme silicium. Cependant, des efforts restent encore à poursuivre pour augmenter la sensibilité et réduire le bruit de ces dispositifs afin de les rendre compatibles avec les nouveaux systèmes de communications à 40Gbit/s et 100Gbit/s et les nouveaux formats de transmission comme (DPSK, DQPSK, …). La montée en puissance des télécommunications sécurisées par des clefs quantiques va demander également de nouveaux détecteurs dits « à photon unique » extrêmement sensibles et à faible bruit. Actuellement les détecteurs à transition supraconductrice offrent les meilleures performances mais leur fonctionnement à basse température (<10K) reste un frein pour leur utilisation. Il faut toutefois noter que des progrès importants sont enregistrés dans le domaine de la miniaturisation et de l’efficacité des machines à froid qui devraient favoriser l’utilisation industrielle de détecteurs aux performances extrêmes. Dans cet esprit, les récentes avancées sur les détecteurs HgCdTe à avalanche démontrant des gains supérieurs à 5000 sans bruit en excès ouvrent de nouvelles perspectives. Dans la plupart des systèmes de télécommunications futurs, les signaux à détecter seront extrêmement faibles (une poignée de photons voire un seul photon), il sera donc nécessaire de développer des détecteurs amplifiés soit par l’apport d’un gain optique ou de type avalanche dans différentes filières (III-V et IV-IV ou II-VI) ou de réduire la chaîne de bruit, notamment sur l’électronique de détection.

9.3 Les imageurs

Les recherches sur les capteurs visibles et infrarouges pour les applications d’imagerie dans les domaines de la défense et de la sécurité sont très actives. On trouve en particulier l’imagerie infrarouge dans la bande SWIR (Short Wave InfraRed), s’étendant des longueurs d’ondes 1 à 2,5 µm. Ce domaine spectral est encore assez peu exploré comparé aux bandes infrarouges MWIR (Mid

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Wave InfraRed ou bande 3-5 µm) et LWIR (Long Wave InfraRed, ou bande 8-12 µm) plus largement exploitées en imagerie thermique (Figure 4).

Figure 4 : Domaines en longueurs d’onde exploitables

De nombreuses études sont à mener pour conduire à une nouvelle génération de composants : Le domaine de la détection bas niveau de lumière fera l’objet d’un effort particulier avec notamment le développement des technologies de type EBCMOS ou MCPCMOS, et de matrices de photodiodes à avalanche pour le proche et le moyen infrarouge En détection infrarouge refroidie, de nombreuses idées sont à développer pour permettre de faire progresser les matériaux et proposer de nouvelles structures (HgCdTe, InSb, Multi puits quantique, détecteurs à cascade quantique, super réseaux...). On cherche notamment à atteindre des températures de fonctionnement plus élevées, à amplifier le signal, ou à réaliser des fonctions multispectrales. Les clefs technologiques sont nombreuses et devront passer par la maîtrise de la croissance des hétérostructures photosensibles et de son intégration avec le circuit de commande et de traitement CMOS. L'utilisation de concepts offerts par les nanotechnologies est également à explorer. On imagine par exemple utiliser des concepts à base de plasmonique pour confiner la zone active des détecteurs et réduire ainsi les sources de bruit. Plus généralement, il semble opportun d’exploiter le potentiel offert par les micro-nanostructures photoniques pour contrôler le confinement de la lumière dans de tels composants, et ce afin d’améliorer leurs performances. Au niveau des détecteurs IR non-refroidis, la tendance est la réduction du pas des pixels (inférieurs à 20µm), tout en maintenant les performances en NETD en dessous de 20 mK et en garantissant une bonne résistance au sur-éclairement. Dans ce domaine, des concepts à base de nanomatériaux ou nanostructures sont susceptibles d’apporter un gain. De même la possibilité d’un matériau alternatif meilleur est toujours d’actualité. La capacité à fonctionner dans cette gamme de performance sans « shutter » et sans stabilisation de température est également primordiale. Enfin, les recherches au niveau des circuits de lecture sont à poursuivre. Il s’agit notamment de développer des électroniques capables d’offrir des fonctionnalités étendues. Parmi les principaux sujets, figurent notamment les rétines artificielles programmables qui permettent, grâce à l’implémentation dans le plan focal détecteur d’algorithmes de traitement d’image de haut niveau, d’atteindre des niveaux d’autonomie inégalés. Ces techniques seront amenées à jouer un rôle essentiel, en particulier dans un contexte où la multiplication des capteurs est susceptible de conduire à une quantité de données absolument ingérable par les approches actuelles. Un intérêt grandissant serait également de combiner sur un même capteur une détection dans le visible, dans le proche IR et dans la bande SWIR, voire UV. Des études tentent aussi d’associer plusieurs bandes de longueurs d’onde : SWIR, MWIR, LWIR en minimisant le plus petit nombre de capteurs. Tout ceci pour acquérir le maximum d’information par système de détection. Les informations fournies par certaines longueurs d’onde étant riches et complémentaires, des travaux émergent autour des applications multispectrales ou hyperspectrales. En conséquence, des hétérostructures toujours plus complexes seront à concevoir, associant performances, versatilité,

UV VISIBLE MWIR LWIR

λ0,35 0,75 1 2,5 3 5 7,5 14

SWIRNIR

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voire ingénierie des effets quantiques. Certains travaux vont dans ce sens dans les bandes MWIR et LWIR avec notamment l’apport des superréseaux InAs/GaSb, les QWIP (Quantum Wells Photodetectors) et QDIP (Quantum Dots Photodetectors). De même, les circuits de lecture associés devront intégrer de plus en plus de fonctionnalités allant de la simple conversion analogique numérique jusqu’au traitement de l’image. Cela nécessite également d’introduire une capacité de calcul grandissante au niveau du capteur et de développer des algorithmes sophistiqués de fusion d’image et de traitement temps réel, de plus en plus localisés au niveau de la rétine (pixels). Ces travaux laissent ainsi entrevoir un grand nombre d’axes de travail pour les années à venir. Un autre intérêt grandissant concerne le développement de systèmes portables, faibles poids, compacts et à basse consommation qui sont de plus en plus demandés. Ceci implique, d’une part de réduire le nombre d’éléments actifs tout en gardant une large bande spectrale de détection et un faible SNR à température ambiante et d’autre part d’intégrer la partie photonique au plus près de la partie électronique Les systèmes de détection dans les trois bandes SWIR, MWIR et LWIR ont également beaucoup d’intérêts dans le domaine du spatial et voire au-delà pour les applications dans le vide, notamment vers de plus grandes longueurs d’onde (10-100 µm) situées aux frontières du térahertz. Cette dernière gamme de fréquences située entre l’infrarouge lointain et les ondes millimétriques (i.e quelques centaines de gigahertz) fait aussi partie des sujets de recherche prometteurs (génération et détection d’onde térahertz). L’imagerie et la spectroscopie térahertz apparaissent dans certains aéroports pour la détection d’armes ou d’explosifs. Cependant les composants de base pour l’émission et la détection sont encore peu nombreux.

9.4 Les cellules photovoltaïques

A la différence des autres photodétecteurs, les cellules solaires photovoltaïques ont ceci de particulier que le coût de réalisation doit être particulièrement bas, et que leur surface est beaucoup plus importante. Le paramètre pertinent pour juger de la qualité d’un tel composant est le rendement de conversion, rapport entre la puissance électrique fournie et la puissance optique incidente. Afin de développer des cellules présentant un bon compromis entre le coût de production et le rendement de conversion, divers matériaux et différents concepts ont été proposés dans le passé, répartis en deux grandes catégories de matériaux : les cristallins (mono ou polycristallin) et les couches minces. Dans la première catégorie, l’utilisation du silicium est majoritaire, mais celle des semiconducteurs III-V est prépondérante pour les applications dans les panneaux solaires à concentration. Dans la seconde catégorie on trouve également le silicium sous sa forme amorphe, mais également le CIS (CuInS et sa famille) mais aussi le CdTe une des rares technologies complètement mature pour un déploiement massif dans les fermes solaires qui pâtit d’une mauvaise image publique relative au Cadmium. Il faut enfin noter une troisième catégorie technologique avec l’avènement des technologies de cellules organiques. En terme de concepts, la majorité des cellules, dites de 1ère génération, exploitent des substrats de silicium cristallin. Afin de réduire la quantité de matériau absorbant utilisé, une seconde approche (2ème génération) consiste à développer des cellules en couches minces, moins onéreuses, mais dont le rendement est réduit. Enfin, les cellules de 3ème génération visent à exploiter de nouvelles structures permettant d’étendre la gamme spectrale dans laquelle les cellules solaires sont capables d’absorber la lumière. Dans ce dernier cas, on trouve en particulier les cellules tandem et les composants utilisant des nanostructures, ce qui permet d’absorber des photons en deçà et au-delà des limites du spectre d’absorption du silicium massif. La majeure partie des développements passés dans le domaine du solaire photovoltaïque a consisté à proposer de nouvelles approches au niveau des matériaux, ou bien à développer et à optimiser les technologies de fabrication. Les développements au niveau de l’optique sont pourtant stratégiques, tant ils sont cruciaux pour contrôler la collecte et l’absorption des photons incidents, et donc le rendement de conversion. A cet égard, les concepts d’ingénierie optique développés jusqu’à présent étaient fondés sur l’utilisation de couches anti-reflet et de surfaces texturées opérant dans le régime de l’optique géométrique. Si ces concepts ont montré leur efficacité dans le cas des cellules de 1ère génération, il est pertinent de proposer des alternatives dans le cas des nouvelles générations. A la suite des développements récents en nanophotonique, il est possible de proposer de nouveaux concepts d’ingénierie optique permettant d’optimiser la collecte et l’absorption de la lumière solaire, en intégrant dans les cellules des structures diélectriques de taille sub-longueur d’onde (surfaces anti-réfléchissantes nanostructurées, réseaux de diffraction et cristaux photoniques), ou bien des nanostructures métalliques (exploitation de résonances plasmon, par exemple). L’intégration de telles structures photoniques devraient permettre d’augmenter le rendement de conversion de manière

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déterminante, en particulier pour les cellules de 2ème génération, pour lesquelles l’absorption est limitée dans certaines gammes spectrales. Notons qu’il s’agit là d’intégrer des structures opérant dans le régime de l’optique « linéaire ». L’utilisation de nanostructures dans le cadre de cellules de 3ème génération relève quant à elle de processus d’optique « non linéaire », dont le rendement est relativement faible. Ces processus gagneraient à être assistés et exacerbés en utilisant des structures photoniques. L’utilisation de nouveaux matériaux tels que les nanotubes de carbone, les nanofils semiconducteurs, les nanocristaux,… pour la détection de lumière peut également apporter des solutions innovantes aux limitations des systèmes plus classiques que ce soit pour les TIC, les imageurs ou encore les cellules photovoltaïques. En effet, grâce au contrôle des dimensions et à la qualité structurale de ces nano-objets, la collection des porteurs photo-générés peut être intrinsèquement très rapide dans une large gamme spectrale. De plus, la nanostructuration des matériaux diélectriques, des semiconducteurs et des métaux peut également augmenter les performances de ces systèmes par localisation du champ optique dans les zones d’absorption forte.

9.5 Acteurs, programmes et événements principaux

Acteurs Ci-dessous une liste non exhaustive des laboratoires fortement impliqués dans le domaine :

• Détection pour le traitement de l’information haut débit : IEMN, LAAS, LPN, IEF, ENSSAT, CEA/LETI, IES… 3S PHOTONICS, III-V lab, THALES…

• Les imageurs IES, LPN, MPQ, CIRIMAT, … CEA/LETI, TRT, SAGEM, ENSTA, ISAE…

• Le solaire photovoltaïque IRDEP, LCFIO, InNess, LPN, INL, IM2NP, CEA-LITEN-INES, CEA-LETI, LPICM, LSP, etc. Saint-Gobain Recherche, LPMC Palaiseau…

Evénements De nombreuses conférences et « topical meetings » sont organisés par les sociétés savantes comme l’OSA, SPIE, IEEE. Pour la partie détection pour le traitement de l’information haut débit, toutes les conférences concernant l’optique intégrée réservent au moins une session sur ce thème, comme lors de SPIE Photonics West, Photonics Europe, Group IV Photonics, CLEO, ECOC, IPR… Pour les imageurs, on citera SPIE défense sécurité, MCT workshop … La thématique est par ailleurs représentée dans les conférences traditionnelles du domaine photovoltaïque : European Photovoltaic Solar Energy Conference, World Conference on Photovoltaic Energy Conversion… Programmes Les projets de cette thématique se retrouvent principalement dans les programmes de l’ANR VERSO, BLANC, P2N et « Solaire Photovoltaïque » qui a été récemment intégré avec des problématiques liées au bâtiment dans le programme « HABISOL ».

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10 . MOEMS ET NOEMS

10.1 Contexte

L’apparition des microsystèmes électromécaniques (MEMS pour Micro Electro Mechanical Systems en anglais), au début des années 1980, a marqué une nouvelle étape dans le développement des technologies électroniques lié jusqu’alors à la maîtrise du processus de miniaturisation. Aux États-Unis, les MEMS sont issus de la communauté électronique et les premières réalisations ont consisté à fabriquer des éléments mécaniques simples tels que des poutres ou des membranes et cela s’est traduit par une augmentation des dimensions des objets par rapport aux composants électroniques. Au Japon en revanche, c’est la communauté des mécaniciens qui a initié ce sujet et les systèmes mécaniques plus complexes ont été miniaturisés et associés à une électronique de commande et de contrôle. L’Europe et la France en particulier s’étant intéressées aux MEMS plus tardivement, l’ambition s’est immédiatement située à un plus haut niveau visant à intégrer, sur un même substrat semiconducteur, capteurs, traitement de l’information, et actionneurs, rendant accessible un ensemble de fonctions « sensorielles » liées à l’environnement. Cette versatilité de fonctions accrue ouvre ainsi des champs d’usages bien plus larges que ceux que l’électronique recouvre traditionnellement, et avec des potentiels de croissance confirmés par l’orientation « More than Moore » actuelle de l’industrie de la micro-électronique. L’introduction d’une composante optique dans le domaine des MEMS a donné naissance à une nouvelle classe de microsystèmes habituellement désignée par l’acronyme MOEMS (Micro Opto Electro Mechanical Systems) qui permettent de faire interagir un signal électrique avec un signal lumineux par le biais d’une action électromécanique. Un des premiers MOEMS « silicium » connu est, sans doute, le micro-déflecteur électrostatique obtenu, au début des années 1980, par Petersen, alors chez IBM Corp., et réalisé par usinage de volume. Le domaine des MOEMS a ensuite connu une croissance rapide au cours de la dernière décennie, particulièrement à la fin des années 1990, principalement pour les télécommunications, notamment l’interconnexion optique dans les systèmes multiplexés. Les années 1994 - 2001 ont en effet été marquées par le développement des télécommunications optiques, qui paraissaient la seule technologie capable d’absorber la croissance du trafic de données, en particulier grâce aux systèmes de multiplexage en longueur d’onde apportant un gain important de la capacité et de la flexibilité des réseaux. Aussi, des efforts intenses de recherche et de standardisation ont été conduits pour optimiser les procédures d’exploitation des réseaux optiques, et de très nombreux travaux ont été menés pour réaliser les composants correspondants. Les microsystèmes optiques (MOEMS) sont apparus à beaucoup comme une solution naturelle, et d’importants investissements ont été réalisés pour favoriser leur développement, donnant naissance à une myriade de société « start-up » souvent issues des laboratoires de recherche dont peu ont survécu à l’effondrement de la « bulle télécom ».

10.2 Les champs d’application

On distingue deux classes de composants MOEMS : celle dont les principes reposent sur l’optique géométrique (micro-miroirs mobiles, obturateurs optiques, etc.) et celle dont les principes reposent sur les interférences optiques (micro-cavités Pérot-Fabry, VCSEL, micro-optique diffractive, etc.), avec des avantages spécifiques : un contraste élevé dans le cas des micro-miroirs et autres obturateurs optiques, et un temps de réponse performant et l’accordabilité dans le cas des micro-cavités Pérot-Fabry. Dans le secteur des télécommunications optiques les principaux MOEMS présents sur le marché sont restés, au final, des commutateurs optiques 3D (distribués par Glimmerglass ou Calient Networks Inc.) pour le routage tout optique ou des obturateurs/atténuateurs (JDS Uniphase Corp., Sercalo Microtechnology Ltd.). Ils présentaient notamment l’avantage de consommer beaucoup moins d’énergie que les commutateurs opto-électroniques, typiquement de l’ordre de quelques centaines de µW contre des dizaines de mW. Les composants exploitant des interférences optiques, comme les VCSEL ou les filtres accordables n’ont pas eu le développement espéré compte tenu de la disparition du marché et la difficulté à obtenir les spécifications utiles.

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Finalement, le plus grand succès industriel des MOEMS ne s’est pas fait dans les télécommunications mais dans les systèmes de projection vidéo grand public avec le «DMD» (Digital Micromirror Device) mis au point par Hornbeck de Texas Instruments Inc.. Assemblés en matrice, ces micro-miroirs mobiles, cousins des commutateurs optiques pour les télécommunications, équipent de plus en plus les systèmes de projection allant du téléviseur individuel au projecteur de cinéma haute définition avec aujourd’hui un marché encore plus important dans les « pico-projecteurs » bientôt intégrés par exemple dans les téléphones portables. Depuis 1996, plusieurs dizaines de millions d’unités DMD ont été vendues et ce composant est aujourd’hui la seule technologie MOEMS relevant d’une production de masse avec des revenus dépassant depuis peu ceux engendrés par les systèmes de tête d’imprimantes grand public purement MEMS. Il convient cependant de préciser que 16 années ont été nécessaires à la mise au point, principalement pour résoudre des problèmes de mécanique liés au fluage des matériaux employés pour fabriquer les suspensions travaillant en torsion. Les micro-miroirs orientables électriquement (micro-scanners) qui profitent d’une technologie mature gagnent aujourd’hui les applications médicales (imagerie endoscopique à balayage). Toujours dans le domaine médical, les miroirs déformables (optique adaptative) permettent d’améliorer l’imagerie de la rétine. Par ailleurs, l’optique adaptative exploitant des miroirs déformables est aussi employée dans les télescopes pour corriger les aberrations dues à la traversée des couches atmosphériques. On peut noter aussi que les technologies de composants interférentiels accordables, ont été « recyclées » vers des applications demandant une performance moins contraignante, comme l’analyse spectroscopique. C’est le cas par exemple de la Société Axsun (US) qui propose un spectromètre portable basé sur un filtre Fabry-Pérot accordable initialement mis au point pour des applications télécoms. C’est le cas aussi de Polychromix (US) qui commercialise aussi un spectromètre portable exploitant un réseau 1D de micro-miroirs diffractants issu de développements pour le démultiplexage en longueur d’onde. Globalement, on peut ainsi constater que, jusqu’à présent, la recherche dans le domaine des MOEMS s’effectue essentiellement à un niveau très multidisciplinaire tourné vers des applications industrielles extrêmement variées et que les problèmes à résoudre ne sont généralement pas de nature conceptuelle, mais essentiellement technologique.

10.3 Prospectives

Dans un cadre plus prospectif, au niveau du laboratoire, grâce aux nouveaux outils de nanofabrication accessibles permettant de réduire de manière drastique les facteurs d’échelle, le domaine des nouveaux composants multi-fonctions émerge. Des axes de recherche se développent notamment sur l’intégration des technologies associant les microsystèmes et la nanofabrication (MEMS + NANO) pour donner le jour aux NOEMS. Ces derniers mettent en avant de nouvelles approches conceptuelles pour un contrôle ‘fin’ de la lumière à l’échelle lambda-métriques et pour certaines dans toutes les directions de l’espace (communication optique multi-niveaux, génération de signaux THz, ‘cages’ à photons compliantes, nanocoupleurs opto-mécaniques). Au sujet de la nature conceptuelle de la recherche dans le domaine des MOEMS, il n’y a probablement pas de concept optique nouveau mais l’exploitation de principes optiques connus requiert parfois des solutions nouvelles et le développement de nouveaux concepts, technologiques ou pas, dans les MEMS. L’apport de matériaux multifonctionnels tel que le GaN ou le ZnO est susceptible de dynamiser les MOEMS dans un avenir proche si les marchés sont au rendez-vous et il s’agit là d’un autre point important pour l’avenir.

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TRANSPORT ET TRAITEMENT DE L’INFORMATION

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11 . TELECOMMUNICATIONS OPTIQUES- STOCKAGE OPTIQUE

11.1 Périmètre

Les besoins dans le transport et le traitement de l’information sont de plus en plus grandissants que ce soit à l’échelle d’un circuit intégré CMOS que pour des transmissions à plus longue distance. Dans le cadre des télécommunications optiques, le transport et le traitement de l’information se trouvent à un tournant caractérisé par la forte demande en capacité liée à l’explosion du trafic internet. L’accès ‘large bande’ et très haut débit (> 1 Gbit/s) à base de fibre optique chez l’abonné est devenu une réalité, impliquant le développement de nouvelles approches d’une part pour la transmission optique mais également de nouvelles technologies aux nœuds du ‘futur réseau optique’. De nouvelles techniques de transmission telles que la radio-sur-fibre (RoF) ou l’accès optique en libre espace permettront de répondre à des besoins spécifiques. Le développement d’un réseau de cœur et d’accès à très haute capacité reposera sur la photonique où l’intégrateur de systèmes ‘saura comment prendre avantage du potentiel de l’optique, dans une approche de plus en plus de type ‘boîte noire’ à fonctionnalité déterminée’ (EC-ICT Workprogramme 2009-2010). En effet seule cette approche pourrait être garante de l’exigence de réduction notable des coûts nécessaire pour la mise en place des futurs réseaux optiques. Les systèmes de transmission de type WDM à 40 Gbit/s par canal ont été déployés dans certains pays, mais déjà le ‘100 Gbit Ethernet’ apparaît comme la prochaine étape dans cette course à la capacité liée à la gourmandise et demande de nos sociétés en information, communication, loisirs,… Ce dernier concept fait l’objet de recherches intenses tant dans les établissements académiques et centres de recherche que chez les industriels télécoms. Les premiers déploiements de liens à 100 Gbit/s sont prévus dès 2010, une fois finalisées les procédures de standardisation qui sont en cours. Des formats de modulations non pas d’intensité mais de phase sont privilégiés (en particulier ‘DPSK’pour Differential Phase Shift Keying’ ou ‘DP-QPSK’ pour ‘Dual-Polarization Quadrature Phase-Shift’), pour parer aux problèmes de gestion de la dispersion chromatique ou de la PMD. En termes de composants, les briques de base formant les futurs transpondeurs d’émission et de réception incluent des lasers accordables, des modulateurs, des photorécepteurs, des éléments de compensation de la PMD et de contrôle de la polarisation,… Le traitement optique de signal est considéré comme la technologie-clé pour des débits de plus en plus élevés (au-delà de 40 Gbit/s) pour lesquels les solutions purement électroniques deviennent impraticables. Différentes fonctions optiques sont requises pour ce type d’application : portes optiques, amplificateurs, interféromètres, circuits de contrôle de la polarisation de la lumière, gestion de la longueur d’onde et de la dispersion,…Beaucoup d’améliorations sont en particulier attendues dans la commutation tant dans le domaine spatial que de celui de la longueur d’onde. De façon ultime le développement de mémoires optiques pour le stockage contrôlé de signaux lumineux est d’un enjeu considérable. Les circuits intégrés CMOS se trouvent également à un tournant piloté d’une part par l’augmentation des leurs performances impactant directement la puissance consommée et d’autre part par l’augmentation du nombre de cœurs de microprocesseur. Cette multiplication impliquera une gestion des communications entre chacun des cœurs de microprocesseur avec des débits supérieurs au terabit par seconde (Tbit/s). Toutes ces évolutions nécessitent le développement de nouvelles approches pour véhiculer de tels débits d’information à l’échelle d’une puce microélectronique, et en particulier l’intégration des systèmes photoniques permettant la communication intra et inter-puces. Les grands concepts développés dans le cadre des télécommunications optiques font donc leur entrée dans le monde de la microélectronique. Cependant de tels concepts doivent être adaptés à de nouvelles exigences en termes de performances et d’environnement. La convergence entre l’optique et l’électronique est donc une des clés du développement de photonique du futur dans les systèmes de communications. Cette intégration s’appuiera sur les développements menés en microélectronique sur l’intégration 3D. Il ne s’agit pas d’une simple intégration des composants optiques et optoélectroniques usuels sur des puces en silicium, mais bien de développer de nouvelles approches permettant de générer, de véhiculer, de traiter et de collecter des signaux optiques de faible intensité au sein même, ou à proximité immédiate des circuits intégrés. Un autre axe très stratégique et complémentaire à la transmission est celui du stockage optique de données. L’utilisation de stockage optique est devenue la règle grâce en particulier à la flexibilité des

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supports et à leur coût (e.g. explosion du marché des DVD). La troisième génération des disques optiques (Blu-Ray et HD-DVD) n’en est qu’à ses débuts mais déjà le besoin pour de nouvelles capacités et solutions techniques se fait pressant en raison de l’explosion de la demande de l’industrie des loisirs et de l’information. L’attractivité de l’optique pour l’archivage vient de la durée de vie de l’information enregistrée et également au fait que, hors lecture, la consommation d’énergie est nulle (« green storage »). Son attractivité pour la distribution de contenu (films, musique ou autre) a elle pour origine le faible coût et la facilité de réplication des données en masse. Les prochaines générations de disques devront pouvoir répondre à au moins une de ces deux exigences : durée de vie élevée et/ou réplication en masse aisée.

11.2 Télécommunications optiques

Le défi est alors d’aboutir à des niveaux de coût, de taille, d’intégration et de performance des composants optiques bien au-delà de ceux des composants télécoms actuels. On s’attend à des encombrements et coûts typiques de ceux de l’industrie ‘datacoms’ tout en maintenant une simplicité d’utilisation pour l’intégrateur. Une première réponse est de développer des composants ‘intelligents’, capables de se configurer e.g. en longueur d’onde, en débit et dispersion (PHOTONICS21-Strategic Research Agenda in Photonics). Ces nouveaux composants –qui reposent sur des technologies nouvelles ou émergentes- seront nécessaires dans toutes les parties du réseau optique qui deviendra de plus en plus transparent. Une préoccupation majeure dans tous les développements futurs de dispositifs photoniques a trait à l’efficacité énergétique requise afin de répondre aux défis environnementaux liés à l’explosion de la demande en capacité. L’intégration monolithique et/ou hybride de transceivers incorporant un grand nombre de fonctions optiques sera une approche incontournable, à développer et à fiabiliser. Il faudra également concevoir et développer un ensemble de composants clés (lasers, modulateurs, amplificateurs, filtres,…) dont le fonctionnement sera insensible à la température. L’apport de nouveaux systèmes de matériaux tels que les boîtes quantiques ou nouveaux alliages semiconducteurs reste à mieux étudier et exploiter. La technologie-clé qui permet une gestion fluide et à ‘bas-coût’ des nœuds du réseau est ‘tout-optique’, permettant e.g. le routage de longueur d’onde à base de ROADMs (Multiplexeurs optiques d’insertion-extraction reconfigurables). Les développements récents dans le domaine du ralentissement de la lumière qui reposent sur les non-linéarités de matériau ou de cavités (e.g. à base d’effets non-linéaires dans les fibres optiques, ou de structures à bandes interdites photoniques-BIPs-) sont encourageants quoique loin des spécifications requises pour ce type d’application. Les nouveaux concepts tels que cristaux photoniques ou plasmonique sont potentiellement des atouts majeurs pour la miniaturisation et l’accroissement des fonctionnalités des nouveaux dispositifs. Les métaux ferromagnétiques et les oxydes magnétiques combinés aux cristaux photoniques peuvent conduire à des fonctions de transmission non-réciproques essentielles pour les circuits photoniques intégrés (isolateur, circulateur optique).

11.3 Intégration de la photonique sur circuits CMOS

Au-delà des matériaux traditionnels (semiconducteurs III-V, silice,…) permettant la réalisation de dispositifs opérant dans les deux fenêtres des télécommunications optiques (1,3 -1,5 µm), l’intégration sur Si de fonctions photoniques a pris un certain essor qu’il reste à amplifier, en particulier pour le développement de sources optiques et de modulateur optiques sur ce substrat. Les systèmes de routages reconfigurables en phase et en longueur d’onde sont également des éléments clés pour le traitement de l’information sur puce. De tels systèmes nécessitent une multitude d’éléments optique passifs et actifs pour guider, filtrer, modifier, diriger, … la lumière à l’échelle de la puce. Les futurs systèmes pour le transport et le traitement de l’information pour les télécommunications optiques et l’intégration possible de l’optique dans les circuits intégrés CMOS pour remplacer les interconnexions métalliques nécessitent la convergence des domaines scientifiques de la photonique et de l’électronique. L’intégration du circuit photonique avec un circuit intégré CMOS peut se faire : (i)

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face arrière du substrat silicium, (ii) au même niveau des transistors (intégration front-end), (iii) au dernier niveau métal (intégration back-end), ou (iv) par report sur le circuit CMOS (Figure 1).

Figure 1: Intégration de la photonique sur un circuit CMOS

Une intégration du circuit photonique sur la face arrière du substrat silicium (i) pose directement le problème des connexions électriques jusqu’au niveau des transistors qui devront être de quelques centaines de microns. L’intégration monolithique (ii) nécessite des dispositifs à base de silicium. Ceci pose le problème de la source laser pour laquelle aucune solution n’émerge clairement pour l’instant. La solution viable développée aujourd’hui consiste à intégrer le matériau semiconducteur III-V et le silicium au travers de techniques de collage direct. Les sources ou d’autres composants actifs nécessitant l’utilisation de semiconducteurs III-V sont ensuite couplés aux composants photoniques en silicium (approche back-end -iii). Une alternative prometteuse à cette approche d’intégration hétérogène consiste à réaliser des hétérostructures III-V par épitaxie sur silicium via une couche tampon. Cette dernière solution nécessite néanmoins des développements conséquents. La dernière intégration possible consiste à fabriquer les circuits photoniques et CMOS séparément et de reporter la plaque photonique sur celle des circuits CMOS par collage moléculaire. Une telle intégration est probablement moins versatile que la précédente, mais elle met en jeu moins de rupture technologique étant donné que chaque circuit est réalisé avec sa propre technologie sans trop de considération sur le budget thermique. Dans cette intégration 3D hétérogène, toutes les technologies développées pour les circuits électroniques pourront être utilisées car indépendantes de la partie photonique. De nombreuses études sont actuellement menées sur les différents schémas d’intégration de la photonique sur les circuits CMOS. Les entreprises majeures dans le domaine sont : Intel, IBM, Luxtera, Sun, HP, Kotura, Lightwire, NTT, … Chacune d’entre elle développe ses propres schémas d’intégration. En Europe, on peut noter les projets Européens IP-HELIOS et STREP WADIMOS, STREP HISTORIC, STREP BOOM du FP7 qui s’intéressent à chacune de ces intégrations possibles. De nombreux travaux sont actuellement en cours sur les nanostructures et plus précisément celles relatives aux nanofils semiconducteurs (Si, III V, ZnO,...), à la technologie intersousbande dans les nanostructures de GaN et aux nanotubes de carbone. Des études commencent à apparaître sur l’utilisation de ces nanostructures en microélectronique et optoélectronique (transistors à nanotubes de carbone, diodes ZnO,...) compte tenu de leurs propriétés spécifiques exceptionnelles (vitesse électronique très élevée, au moins un ordre de grandeur comparée aux meilleurs III V en volume- dans les nanotubes de carbone en version semiconductrice, propriétés excitoniques remarquables dans les nanofils de ZnO…), mais également de leur aptitude à être intégrées sur CMOS. De façon plus générale, ces nanostructures sont peut-être une voie pour la convergence nanoélectronique-nanophotonique. C’est ainsi que de premiers résultats ont déjà démontré le caractère photoconducteur des nanotubes de carbone. Une recherche exploratoire dans ce sens est donc peut-être intéressante à mener.

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11.4 Stockage optique

Pour le stockage optique de l’information, un enjeu essentiel est l’augmentation de la densité de stockage allant bien au-delà de la capacité d’un disque de type Blu-ray. Typiquement la prochaine génération devrait permettre d’atteindre dans un premier temps des capacités d’un To. De telles capacités ne se conçoivent que si les débits d’écriture et de lecture sont au moins de l’ordre du Gb/s. Les technologies actuelles de type surfacique (CD, DVD, BD) marquent le pas. Les gains en capacité entre le CD et le BD ont été obtenus par une amélioration du traitement du signal, mais surtout par une diminution de la taille de la tache laser en passant d’une longueur d’onde de 780 nm à 405 nm et d’une ouverture numérique de 0,45 à 0,85. Descendre encore en longueur d’onde sera également un atout dans cette course, mais nécessite le développement de lasers UV qui doit s’accompagner du développement de nouveaux matériaux bas coût et non photodégradables à ces longueurs d’onde. Un gain en capacité pourrait également être obtenu en augmentant le nombre de couches d’enregistrement. Les disques BD ont ainsi habituellement deux couches de chacune 25 Go, soit 50 Go au total. Pionner a ainsi démontré l’empilement de 16 couches de capacité unitaire 25 Go soit 400 Go au total. Cette approche, intéressante en soi, se heurte à la réticence des industriels qui craignent un taux de rejet très fort lors du collage des différentes couches. Augmenter la capacité nécessitera donc une rupture technologique. Plusieurs familles technologiques sont en lice dont : • Les techniques de super-résolution qui permettent de dépasser la limite de diffraction en champ

lointain en inscrivant des marques plus petites que la tache laser. • Le champ proche pour lequel des ouvertures numériques de NA = 2,4 ont déjà été démontrées. • L’enregistrement en volume à deux photons. Les bits d’informations sont enregistrés localement

dans les 3 dimensions d’un matériau épais. • Les techniques holographiques. Des technologies encore plus prospectives basées sur la conception de nouveaux matériaux, comme les « nanorods » développés à l’Université de Technologie de Swinburne par le Professeur M. Gu qui permettent théoriquement l’enregistrement en longueur d’onde et polarisation en plus des trois dimensions de l’espace. Chacune de ces technologies a la potentialité d’atteindre les capacités requises de l’ordre du To. Les grands acteurs du domaine continuent d’étudier plusieurs solutions simultanément. Néanmoins, si l’on se fie aux communications effectuées lors des grands colloques internationaux sur le stockage optique, l’holographie semble être l’objet des recherches les plus actives. Bien que des efforts restent à faire tant sur les architectures, les composants et le traitement des données ainsi que sur les matériaux, la question de savoir si l’optique est capable d’atteindre les capacités de 1 To et des débits 1Gb/s ne se pose donc probablement pas. Néanmoins, en gagnant en capacité, ces technologies ont souvent perdu sur l’aspect archivage et distribution. Un effort important doit être dédié pour les adapter à la demande sur :

• le marché de l’archivage qui requiert des durées de vie d’enregistrement supérieures à 50 ans ;

• la distribution de contenu en développant un procédé très bas coût pour répliquer en masse les données d’un support à un autre.

Pour imposer une nouvelle technologie, un unique produit d’une capacité d’environ 1 To n’est pas suffisant. Une feuille de route proposant une famille de produits de capacité croissante (10 To ou plus) est nécessaire pour continuer d’imposer le stockage optique. Atteindre ces ultra hautes capacités est un véritable défit pour les technologies optiques. De plus, si la pérennité de l’information enregistrée sur disques optiques et l’absence de consommation électrique hors lecture en font des supports de choix pour l’archivage, la distribution de contenus est parfois remise en question pour la prochaine génération de disques du fait de la très grande concurrence du téléchargement.


• ANR VERSO, PNANO • Pôles de compétitivité : Images et Réseaux (Bretagne et Pays de la Loire), Systém@tic (Ile de

France), OPTITEC (porté par POPSud)

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• GDRs (Ondes, System-on-chip…) • Autres clubs et groupes : Club SFO « Journées Nationales d’Optique Guidée JNOG » • Plateformes européennes

o PHOTONICS21 : plus particulièrement les Working Group 1 “Information and Communication” et Working Group 6 “Optical Components and systems”

o MONA: plusieurs organismes contribuent à l’aspect ‘télécoms optiques’ o Plateformes Technologiques européennes : o ePIXfab coordonnée par IMEC (Bel.) et CEA/LETI (Fr)

• Programmes européens : ICT, NMP • Entreprises impliquées dans la photonique pour le traitement de l’information sur puce :

o Europe : STMicroelectronics, Pirelli, Alcatel-Luccent, Thales, 3S Photonics, Photline… o Asie : NEC, Toshiba, NTT, … o Etats-Unis : Intel, IBM, Sun, HP, Luxtera, Kotura, Lightwire

11.6 Evolution et recensement de communauté

Le tableau ci-dessous est une tentative de recensement des principaux acteurs travaillant dans le domaine des télécoms optiques : Etablissement Activité Remarques INSTITUT TELECOM Dispositifs optiques

Réseaux optiques

IEMN Dispositifs III V, Si IEF Dispositifs III V, Si, Ge, GaN LPN Dispositifs III V, Si

Plateforme ‘DESCARTES’ 160 Gbit/s

IOGS Dispositifs FEMTO Dispositifs LiNbO3, dispositifs à fibre LAAS Dispositifs III V, Si LETI Dispositifs Si INL Dispositifs III V, Si ENSSAT Systèmes,

Plateforme PERSYST

INSA Rennes Dispositifs III V, Si Univ DIJON Systèmes IMEP Dispositifs sur verre Univ NICE Etudes physiques INSTITUT FRESNEL Sous-systèmes, composants 3S PHOTONICS Dispositifs III V Privé III-V lab Dispositifs III V Privé THALES Dispositifs III V Privé Photline Niobate de lithium Privé

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12 . TECHNOLOGIES OPTOELECTRONIQUES ET PHOTONIQUES POUR ELECTRONIQUE DES SYSTEMES EMBARQUES

L’objectif de ce texte est de dégager quelques axes de recherche pour les technologies photoniques et optoélectroniques appliquées à l’électronique des systèmes embarqués. Nous restreignons notre analyse au périmètre des senseurs pour l’avionique civile et militaire.

12.1 Périmètre

Un bon nombre de systèmes hyperfréquence pour l’avionique du futur utiliseront, en majorité, des antennes actives à balayage électronique. Cette évolution est déterminée par les performances accrues de ces antennes en terme de fiabilité, de résistance au brouillage, et de totale flexibilité pour la formation de faisceaux tant à l’émission qu’à la réception. Ce type d’antenne pourra être ainsi utilisé dans une grande diversité d'applications: radar, communication et contre-mesures. Pour satisfaire cette multifonctionnalité, il sera nécessaire de répartir ces antennes sur toute la surface des plateformes (avions, drones, bateaux,..) alors qu’au sol, le multistatisme imposera un déport d’antennes multiples par rapport à leur unité de traitement. Dans tous ces cas apparaît le besoin de liaisons à très faibles pertes et très faible facteur de bruit, permettant le déport du contrôle de l’antenne ainsi que la distribution et le traitement de signaux hyperfréquences à très large bande passante (typiquement 1-20 GHz voire 1-40 dans le futur). La maturité et les performances notamment en termes de pureté spectrale et de linéarité des composants optoélectroniques sont telles aujourd’hui qu’elles permettent d’envisager la transmission et le traitement optique de ces signaux. Ainsi, la transmission optique de signaux hyperfréquence, qui offre, outre de faibles pertes de propagation pour de très larges bandes de fréquence, l’insensibilité aux perturbations électromagnétiques, permet d’envisager l’introduction de nouveaux concepts et architectures optiques dans les systèmes hyperfréquences.

12.1.1 Câblage et déport optique

Le terme de câblage optique se réfère à la réalisation de liaisons optoélectroniques pour la transmission de signaux hyperfréquences et numériques. Ce câblage vise au remplacement des câbles coaxiaux pour l’interconnexion d’équipements embarqués. Le terme déport est pris ici dans le sens de transmissions hyperfréquences sur porteuses optiques appairées en phase. Les principaux avantages de poids, volume, flexibilité, bande passante, immunité électromagnétique, sont caractérisés par :

• Un gain de poids de câblage de 90% par rapport aux câbles coaxiaux avec l’avantage supplémentaire de ne pas requérir de dispositifs électroniques actifs pour équilibrer le gain en fonction de la fréquence

• La possibilité de réaliser des transmissions appairées en phase dans des bandes de fréquences extrêmement larges

La maturité des composants optoélectroniques permet d’envisager les transmissions suivantes :

Fonctions Accessible actuellement En développement Liaisons optiques modulation externe

bande 0,5 – 20 GHz Bande 1 – 40 GHz

Liaisons optiques modulation directe

Bande 0,5 – 12 GHz Bande 0,5 – 20 GHz

Multiplexage 8 – 16 voies 32 – 64 voies Interconnexions Connecteur monomode

Monopoint/ Multipoints Connecteur monomode multipoints

La mise en place de ces fonctions passe par la réalisation de modules optoélectroniques d’émission et de réception, de l’intégration de fonctions de multiplexage/démultiplexage à haute stabilité thermique et de connecteurs monomodes monopoints et multipoints.

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La transmission de signaux hyperfréquences par voie optique est aussi caractérisée par les potentialités suivantes :

• L’évolutivité du câblage par voie optique Compte tenu des performances des fonctions de multiplexage/démultiplexage réalisées à ce jour d’une part et de l’évolution des technologies de ruban de fibres optiques et de connecteur monomode multipoints, l’accroissement du nombre de voies hyperfréquence sur un même canal de transmission optique apparaît comme un apport essentiel du câblage par voie optique.

• L’optoalimentation de fonctions hyperfréquences Le développement des diodes laser de forte puissance et le développement des amplificateurs optiques permettent d’envisager d’optoalimenter des fonctions hyperfréquences. Des sources optiques délivrant dans une fibre des puissances de l’ordre du W sont accessibles aujourd’hui avec des rendements de cellule photovoltaïque de l’ordre de quelques dizaines de %. Cette fonction nouvelle apportée par les technologies optoélectroniques ouvre la voie à la mise en place de nouveaux équipements en extrémité de voilure ou en bout d’ailes en utilisant la nature diélectrique des fibres optiques ainsi que la flexibilité et la très faible dimension de ces fibres.

12.1.2 Traitement optique de signaux hyperfréquences

Ce thème se réfère au contrôle optique de la phase et/ou de retard et de leurs applications aux systèmes hyperfréquences. Ces fonctions passent par la réalisation de modules optoélectroniques intégrant les fonctions de commutation optique, les fonctions de synthèse de retards et les sources optiques à multi-longueurs d’ondes. Trois fonctions optiques principales sont concernées:

• La synthèse de retards mono et bi dimensionnelle pour la fonction de pointeur mono et multifaisceaux en Emission/Réception

• La synchronisation temporelle ultra-précise de senseurs électromagnétiques (ps) • La gestion des retards (précision de l’ordre de la ps) pour les fonctions de mesure de direction

d’arrivée de signaux hyperfréquences à très large bande passante. • La génération de formes d’ondes au travers de la gestion des retards et de la génération de

Doppler. Les principaux points faibles des liaisons optiques restent : les pertes et le facteur de bruit des liaisons optiques. Celles-ci, bien que fortement réduites par les architectures d’adaptation d’impédance, induisent la nécessité de préamplification hyperfréquence (pour masquer le facteur de bruit des liaisons) induisant donc un accroissement de consommation et un accroissement de coût.

12.2 Axes d’étude

Il faut noter, en préambule, que se confirme dans le domaine des Interactions Optique-Microondes, la forte dualité entre les technologies développées dans le secteur en très forte expansion des télécommunications à très haut débit et le traitement de signaux analogiques hyperfréquences :

• dualité en termes de composants optiques actifs et surtout passifs, • dualité des problématiques de bruit et de linéarité des signaux à traiter, • dualité des certaines fonctions (multiplexage fréquentiel à forte diaphonie, amplifications

optique à faible bruit,..) L’application des technologies photoniques hyperfréquences aux systèmes aéroportés passe dans un premier temps, par un accroissement des performances des liaisons optiques et par la validation d’architectures optiques de commutation. Un deuxième volet d’action sera consacré à l’implémentation de fonctions optiques complexes (filtrage agile, oscillateurs à très haute pureté spectrale, traitement optique du signal) dans les équipements aéroportés.

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Les principaux axes d’amélioration sont regroupés ci-dessous. Au niveau des composants optoélectroniques et des liaisons optiques

• Amélioration du rendement des composants émission, réception optique • Réduction des bruits caractéristiques des composants

Au niveau des fonctions optoélectroniques, l’accent est à mettre sur les fonctions :

• de commutation rapide, faibles pertes d’insertion, fort contraste • de la sommation optique de signaux hyperfréquence • des fonctions de mélangeur hyperfréquence et de translation de fréquence • de génération optique de signaux hyperfréquence

Au niveau des fonctions hyperfréquences revisitées par l’optique et des fonctions nouvelles issues du domaine opto-hyperfréquence, on citera :

• Les fonctions de synchronisation ps des signaux hyfréquences ou numériques rapides • Les fonctions d’analyse spectrale • Le domaine du THz • Le codage analogique-numérique

12.3 Principaux événements nationaux et internationaux

• Réunions nationales du Club Optique et Microondes, Journées Nationales Microondes. • Réunions du Réseau d’Excellence Européen ISIS, European Microwave Week (EuMW),

MicroWave Photonics (MWP), MTT.

12.4 Principaux acteurs académiques

En France ils sont regroupés dans le Club Optique et Microondes de la SFO. En Europe, ils apparaissent dans le réseau d’excellence ISIS. Aux USA, l’Université de Drexel cherche à monter actuellement un réseau d’excellence à une plus grande portée internationale. Des actions sont en cours de développement en Asie (Singapour et Chine principalement) auprès des grandes universités technologiques.

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13 . OPTIQUE ET INFORMATION QUANTIQUE, OPTIQUE ATOMIQUE

13.1 Périmètre

Parmi les nombreuses propriétés de la lumière figure notamment la possibilité d’accéder à des états quantiques du champ électromagnétique, ou celle de manipuler différents types de particules pour l’observation d’effets quantiques. Les progrès réalisés dans ce domaine ont permis d’ouvrir des perspectives absolument fascinantes avec par exemple le développement des techniques de refroidissement et piégeage d’atomes par laser qui permettent aujourd’hui de générer de manière aisée des échantillons bosoniques ou fermioniques à des températures permettant d’atteindre des régimes quantiques. L'information quantique est un autre exemple de discipline en pleine expansion. Il s’agit de tirer partie des propriétés intrinsèques à la physique quantique afin d'effectuer des tâches impossibles ou difficiles à réaliser à l'aide de ressources classiques d'information. En effet, la superposition cohérente des états et l'intrication, longtemps restées au niveau de concepts fondamentaux, sont aujourd'hui perçues comme des ressources utiles pour le calcul quantique et les communications quantiques. Les enjeux sociétaux correspondant à ces thématiques se situent à différents niveaux. Sur le plan fondamental, la photonique offre un potentiel important pour faire progresser la connaissance sur différents sujets comme l’étude des phénomènes de localisation, des propriétés des gaz quantiques ou des phénomènes de décohérence quantique. Sur le plan applicatif, des perspectives très intéressantes sont identifiées avec la cryptographie quantique qui conduira à relativement court terme à des systèmes sécurisés pour le transport d’information, ou les recherches sur les portes logiques et les mémoires quantiques qui constituent des briques technologiques essentielles pour la réalisation d’un calculateur quantique.

13.2 Sources atomiques ultrafroides

L’utilisation de la lumière permet de refroidir les atomes, c’est-à-dire de diminuer leur agitation thermique, ce qui revient à diminuer les fluctuations de la vitesse autour de la vitesse moyenne. L’obtention d’atomes ultrafroids met en jeu plusieurs mécanismes de refroidissement, le plus élémentaire d’entre eux est le refroidissement Doppler. Les gaz ultra-froids ainsi obtenus forment une assemblée d'atomes cohérents, permettant d'accomplir de nombreuses expériences qui n'étaient jusque-là que des expériences de pensée, comme des interférences d'ondes de matière et le développement de senseurs inertiels. La lenteur des atomes ultra-froids permet en outre de construire des horloges atomiques de précision inégalée, et même d’envisager la miniaturisation de ces dispositifs. Relayé par une phase de refroidissement par évaporation, on atteint le régime de dégénérescence quantique : les gaz de bosons forment alors un condensat de Bose-Einstein, les fermions un gaz de Fermi dégénéré. Ce nouvel état de la matière offre plusieurs voies à explorer. L’une d’elles est évidemment l’étude des problèmes fondamentaux de la mécanique quantique et de la physique de la matière condensée dans des systèmes très bien caractérisés expérimentalement, et avec les techniques de précision de la physique atomique et de l’optique quantique. Une autre est la réalisation de lasers à atomes, c’est-à-dire d’instruments capables de délivrer un faisceau d’atomes se trouvant tous dans le même état, à l’instar des photons d’un rayon laser. Cela rendrait de grands services à l’optique et l’interférométrie atomique, à la chimie (étude de réactions entre deux faisceaux atomiques dans des conditions très bien définies et contrôlées, condensats de molécules, etc.). Il existe aujourd’hui de nombreux groupes en France qui travaillent sur les atomes froids. Leurs études concernent différents aspects de ce domaine, allant de l’étude du refroidissement d’atomes « exotiques », de mélanges d’atomes d’espèces ou de nature différente ou de molécules à la réalisation, par exemple, d’un laser (photonique) aléatoire. Pour aborder ces sujets très variés, les laboratoires ont appris à maîtriser et refroidir de nombreuses espèces atomiques, allant des atomes « historiques » que sont le sodium, le césium et le rubidium à des atomes plus spécifiques : c’est par exemple le cas de l’hélium métastable, dont l’énergie « stockée » dans l’état instable se libère instantanément au contact d’une surface et permet de détecter les atomes un par un ou le cas du mercure, pour lequel l’existence de transitions optique « interdites » offre la possibilité de réaliser des horloges atomiques de nouvelles générations : les horloges optiques.

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13.2.1 Les gaz ultrafroids : un milieu « opaque »

La propagation d'ondes en milieu opaque (diffusant) est une thématique qui intéresse de nombreux domaines de la recherche (imagerie médicale, acoustique, sismologie, physique stellaire,...). Un nuage d'atomes froids issu d'un piège magnéto-optique (MOT) offre un milieu tout à fait particulier et intéressant pour comprendre cette propagation. Les propriétés très particulières de ce type de milieu diffusant (fortes résonances, structure interne des diffuseurs, effet mécanique de la lumière,...) donnent naissance à une physique particulièrement riche. La lumière qui traverse un tel milieu subit ainsi divers effets de diffusion multiple qui vont de la rétro-diffusion cohérente (un effet interférentiel), au piégeage de radiation et aux instabilités dynamiques dans un MOT. Plus récemment, les groupes de recherche se sont intéressés à la mesure du gain qu’on peut obtenir dans une configuration où le milieu d’atomes froids est pompé par un faisceau intense. Avec une bonne maîtrise du gain offert par les milieux de grande épaisseur optique, il semble possible de réaliser un laser aléatoire avec des atomes froids. C’est un phénomène spectaculaire lié à la localisation d’Anderson induite par les interférences multiples dans le milieu diffusant.

13.2.2 Les mélanges dégénérés fermions-bosons, vers des simulateurs quantiques pour la matière condensée

La physique de la matière condensée est un domaine extrêmement riche où de nombreux phénomènes fondamentaux (et parfois inattendus) jouent des rôles déterminants. Malheureusement, la plupart des systèmes en matière condensée ne permettent que difficilement d’étudier ces différents phénomènes séparément car ils jouent généralement des rôles imbriqués, rendant difficile la comparaison directe entre théorie et expérience. Par ailleurs, de nombreux phénomènes parasites difficiles à maîtriser, par exemple des effets de décohérence, viennent souvent perturber ces systèmes. Ainsi, le rêve du physicien serait de pouvoir combler l’espace séparant les théories basées sur des systèmes relativement simples et les expériences beaucoup plus complexes. À cet égard, les atomes ultrafroids ouvrent des perspectives sans précédents, car ce sont des systèmes très contrôlables, pratiquement sans défaut et où les différents paramètres peuvent être ajustés avec une grande précision. Ils permettent donc d’étudier ces phénomènes dans des systèmes très purs, soit indépendamment, soit en ajoutant successivement de nouveaux ingrédients. Ainsi, en contrôlant très précisément le couplage tunnel dans des réseaux optiques exempts de tout défaut, on a pu observer pour la première fois la transition de Mott dans des gaz ultrafroids de bosons et plus récemment ces travaux ont été étendus aux fermions. Sur le plan national, on notera les résultats majeurs obtenus dans l’observation de la transition entre superfluide et supraconducteur (transition dite BEC-BCS), la transition superfluide à 2 dimensions (transition BKT) et finalement l’observation directe du phénomène de localisation d’Anderson, transition métal-isolant induite par le désordre dans les semiconducteurs.

13.2.3 Le laser à atomes, vers une « nouvelle » optique atomique

Les atomes, comme les photons, sont à la fois des particules et des ondes. Ces ondes peuvent interférer et on peut observer des phénomènes très analogues à ce qui se passe en optique. On peut ainsi fabriquer des interféromètres qui permettent déjà des mesures d'accélération ou de rotation à haute précision. À l'heure actuelle ces dispositifs utilisent des gaz refroidis par laser mais pas dans le régime quantique. Il en résulte un encombrement important (lié à la chute libre des atomes) et une limitation liée à la brillance de la source atomique. Pour améliorer encore les caractéristiques de ces dispositifs, l’utilisation des condensats de Bose-Einstein ou des gaz de Fermi offre des perspectives particulièrement intéressantes. Il s’agit maintenant de trouver de nouvelles géométries de senseurs qui permettent d'exploiter au mieux ces nouvelles sources atomiques et d'obtenir des dispositifs compacts. L'un des principaux aspects de la mise au point de lasers à atomes concerne aujourd'hui la possibilité d'émettre en continu des jets atomiques. Un laser à atomes qui fonctionnerait sans discontinuer constituerait une avancée importante. De la même façon, les premiers lasers optiques n'émettaient que des impulsions brèves, entre lesquelles il fallait « recharger » le laser. Mais il n'avait pas fallu plus de six mois pour concevoir des lasers continus : la création de photons à partir d'énergie électrique ne pose pas de problème. En revanche, dans un laser à atomes, nous ne créons pas ces derniers : ils préexistent, évidemment. Il faut donc en apporter de l'extérieur si nous voulons recharger nos

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condensats de Bose-Einstein d'où sont extraits les faisceaux. Toute la difficulté est de le faire sans détruire le condensat lui-même. Plusieurs approches semblent possibles afin d’aboutir à un tel dispositif. On notera en particulier la réalisation d’un laser à atomes guidés dans un faisceau lumineux. Un tel guide pourrait par exemple être utilisé pour « remplir » un réservoir d’atomes duquel le faisceau est émis de manière continue. Une autre approche vise à réaliser le laser à atomes directement dans un guide : les atomes sont introduits à l’entrée du guide et lors de la propagation subissent un phénomène d’émission stimulée vers l’état fondamental, d’une manière analogue à laser à fibre, par exemple. Les atomes plus exotiques, comme le chrome par exemple, permettent même de « favoriser » ce phénomène. Malgré les nombreuses avancées importantes ces dernières années, il reste encore beaucoup de questions ouvertes. La maîtrise des laboratoires dans les techniques expérimentales permet aujourd’hui d’envisager des expériences encore plus audacieuses et compliquées. On peut par exemple imaginer « mélanger » plus de deux gaz quantiques dégénérés pour simuler de vrais « matériaux » artificiels et reproduire, par exemple, des supraconducteurs à haute température. On peut aussi imaginer réaliser de véritables opérations à l’aide d’ordinateurs quantiques. Enfin, les possibilités d’utiliser les lasers à atomes et leurs propriétés de cohérence restent encore vastes et pratiquement pas explorées.

13.3 Composants pour l’optique atomique

En parallèle des développements menés dans le domaine des sources d’atomes froids et dans les nouvelles architectures d’interféromètres à ondes de matière, des recherches sont menées pour développer de nouveaux composants visant à manipuler les ondes de matière. Dans ce domaine, la tendance principale repose sur l’utilisation de potentiels optiques qui permettent par exemple de jouer le rôle de séparatrice, lentille ou de miroir atomique. Des travaux sont en cours pour optimiser le profil d’intensité des lasers et contrôler les séquences d’application du potentiel pour ce type de fonctionnalité. Ainsi, l’utilisation d’un modulateur spatial de lumière offre un intérêt important et des travaux sont à mener pour réussir à réaliser des hologrammes de phase qui permettront de façonner de manière optimale le potentiel d’interaction auxquels les atomes sont soumis.

13.4 Communications quantiques

Les communications quantiques ont connu un développement exponentiel ces dernières années, notamment grâce à la cryptographie quantique point à point qui représente sans doute l'application la plus connue du domaine de l'information quantique. La cryptographie quantique répond en effet à une question forte de notre société relative à la transmission de données sécurisées. Par exemple, il est aujourd'hui possible d'établir chez deux partenaires distants des clés secrètes, parfaitement aléatoires mais tout à fait identiques grâce à la distribution de bits d'information quantique (les qubits) encodés sur des photons. Ces clés, dont le niveau de sécurité serait inatteignable avec des bits classiques d'information, sont ensuite employées pour effectuer des tâches standards de cryptage et de transmission de messages cryptés par le biais de réseaux de communication standards. Les performances actuelles des cryptosystèmes les plus aboutis permettent d'établir des clés secrètes avec des débits de quelques Mbits/s sur des distances de l'ordre de 200 km. Au delà des succès convaincants de la cryptographie quantique basée sur la photonique, que ce soit en laboratoire ou en termes de solutions commerciales, l'heure est à la construction de véritables réseaux de communication quantique qui nécessitent la mise au point de mémoires, ou répéteurs, quantiques pour accroître à la fois la portée et le rendement du réseau considéré. Bien que des propositions concrètes de répéteurs quantiques aient été formulées, aucune réalisation expérimentale pratique n'existe aujourd'hui. Ceci en incombe au fait que les photons télécoms, émis à 1310 ou 1550 nm, sont les porteurs naturels des qubits pour une distribution fibrée de l'information alors que les ensembles atomiques ou autres ions piégés opérant entre 700 et 900 nm ont été identifiés comme les porteurs de qubits privilégiés pour leur stockage et les tâches de calcul qui s'y rapportent. Si l’interaction lumière-matière peut en théorie permettre de passer d’un type de support à l’autre (photon

atome), deux désaccords majeurs subsistent aussi bien en termes de longueurs d’onde et de largeurs de raie associées aux deux types de qubits. Par ailleurs, de nombreuses questions doivent être identifiées : encoder les qubits sur des variables discrètes ou continues ? En cas de variable

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discrète, quelle observable utiliser ? Comment adapter de façon cohérente les longueurs d'onde des photons aux transitions atomiques considérées ? Quel protocole de stockage utiliser pour garantir une fidélité maximale lors de la relecture de l'information quantique ? etc. Répondre à ces questions et identifier les points clés, théorie et développements expérimentaux vont devoir être menés de façon conjointe dans les années à venir. Une partie de l’avenir de cette discipline passe sans doute par le mariage de ces porteurs. L'apport de solutions photoniques basées sur la technologie des télécoms et de celles qui s'y rapportent (lasers, optique intégrée, optique non-linéaire, etc.) favorisera très certainement l'avènement de réseaux quantiques constitués de liens fibrés interconnectés par des répéteurs quantiques. Nul doute en effet que ces technologies innovantes, par ailleurs éprouvées depuis de nombreuses années dans des domaines connexes, permettront non seulement de réaliser les briques élémentaires d'un tel réseau mais également de rendre les interconnections et autres interfaçages simples, stables et efficaces. À l'instar de ce qui se fait au sein des réseaux standards, il conviendra par ailleurs d'établir un protocole complet de communication quantique où toutes les tâches de base, à savoir génération, distribution, stockage, calcul et corrections des erreurs sur les bits distribués sont bien entendu possibles mais également traitées de façon efficace.

13.5 Génération et détection d'états quantiques de la lumière

Parmi les différentes possibilités offertes par la lumière, l’utilisation de photons uniques présente un grand intérêt pour les communications quantiques. S’ils sont indiscernables, ils peuvent également permettre de réaliser des opérations de logique quantique. Dans tous les cas, l’efficacité quantique d’émission de la source est bien entendu une propriété critique, et de nombreuses pistes sont à l’étude pour améliorer ce paramètre. En particulier, des espoirs importants reposent sur l’utilisation de techniques de confinement du champ électromagnétique qui permettent d’exalter et collecter de façon optimale les photons. Les paires de photons intriqués sont une autre brique de base en information quantique. Les caractéristiques importantes sont leurs propriétés spectrales, leur accordabilité, leur intensité et le fait de pouvoir être émises de façon déterministe. Comme pour les photons uniques, un pilotage électrique peut être un avantage pratique significatif. Par ailleurs, les faisceaux intenses de lumière peuvent également être utilisés en information quantique. Les variables continues sont utilisées en cryptographie quantique et permettent aussi de générer des états quantiques très exotiques, comme notamment des chats de Schrödinger. Les détecteurs sont aussi importants que les sources. Les propriétés importantes sont leur efficacité quantique, et leur nombre de coups d'obscurité. En communication quantique, ces paramètres ont un impact direct sur la portée de transmission du système. En calcul quantique, des performances quasi-parfaites, encore éloignées de l’état de l’art actuel, doivent être atteintes pour pouvoir réaliser des portes logiques. Un autre axe de recherche consiste à améliorer des propriétés comme la résolution du nombre de photons ou un taux maximum de comptage élevé, qui peuvent se révéler utiles pour certaines applications. Enfin, l’intégration de plusieurs fonctions sur une même puce constitue un enjeu majeur pour la réalisation de composants optiques quantiques compacts et de nombreuses recherches sont actuellement menées pour réaliser un circuit intégré photonique et/ou plasmonique comportant plusieurs sources et détecteurs.

13.6 Mémoires quantiques

Les mémoires quantiques sont apparues principalement comme élément clé des réseaux de communications quantiques. Dans les communications quantiques, il s’agit généralement de transmettre sur une grande distance une clé de cryptage dont la sécurité est garantie par les lois de la physique quantique. Le débit et la portée des réseaux de communications quantiques sont inévitablement limités par les pertes en ligne. Avec les méthodes usuelles, on peut estimer en effet qu’il faudrait environ 30 ans pour transmettre un bit secret sur une distance de 1000 km. Afin de réduire les effets de ces pertes et permettre un réseau à grande distance, il est nécessaire d'utiliser des répéteurs quantiques.

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Un répéteur quantique fonctionne en permettant de diviser la distance entre les extrémités du réseau en liens élémentaires. L’information quantique (intrication) est partagée entre deux répéteurs successifs puis par des techniques bien maîtrisées (“entanglement swapping”), l’intrication est partagée entre les extrémités du réseau. Le cœur d'un répéteur est constitué d'une mémoire quantique, à savoir un système matériel destiné à stocker l'information quantique transportée par la lumière. De nombreux milieux matériels sont étudiés, avec comme point commun le grand nombre de dipôles individuels en interaction avec le champ. Deux types principaux d’interaction sont actuellement étudiés pour stocker l’information. La première est basée sur la transparence électromagnétiquement induite (Electromagnetically Induced Transparency ou EIT en anglais). Un faisceau intense dit de contrôle permet de modifier la vitesse de groupe d’un faisceau se propageant dans le milieu. L’expérience consiste à diminuer l’intensité du faisceau de contrôle lorsque l’impulsion contenant l’information quantique a pénétré dans le milieu: sa vitesse de propagation est alors réduite ce qui correspond au stockage de l’information. Ce phénomène dit de lumière lente est exploité pour le traitement classique de l’information mais peut également être appliqué au stockage d’une information quantique. Afin de récupérer l’information, il suffit ensuite de ramener l’intensité du faisceau de contrôle à son niveau initial. La seconde méthode est basée sur l’écho de photons dans un milieu possédant un élargissement inhomogène important. L’interaction avec une impulsion courte permet de créer une cohérence sur une transition optique. Cette cohérence optique est ensuite transférée sur une cohérence micro-ondes de longue durée de vie par l’intermédiaire d’une impulsion Raman afin de permettre le stockage sur des durées importantes. Cependant, durant le stockage, les différents dipôles porteurs de l’information subissent des déphasages différents (liés à la largeur inhomogène). Une étape de refocalisation est donc nécessaire afin de les remettre en phase. Enfin, une nouvelle impulsion permet de réemettre l’information initiale. Il est intéressant de noter que ces deux techniques peuvent a priori s’appliquer à l’information quantique transportée par des photons uniques comme à une information transportée par des impulsions intenses (“variables continues”). Les premières expériences ont été réalisées en 2004 dans une vapeur chaude de césium avec un temps de stockage de quelques millisecondes mais l’impossibilité de restituer l’information quantique stockée. Plus récemment, des atomes froids ont été utilisés pour stocker des impulsions lumineuses avec des temps de stockage plus réduits (quelques micro-secondes). Afin de réduire les effets liés à la diffusion des atomes pendant la phase de stockage, des solutions originales ont été démontrées (atomes stockés dans des pièges 2D ou des réseaux optiques) ou sont étudiées (ions confinés et refroidis). Ces expériences sont pour la plupart basées sur des processus d’EIT. En parallèle de ces expériences réalisées sur des milieux gazeux, des expériences prometteuses ont été réalisées dans des cristaux dopés d'ions terre-rare, celles-ci basées sur la technique de refocalisation. La mise en œuvre de ces mémoires dans des réseaux de communication quantique nécessitent l'amélioration de plusieurs points bloquants, en particulier l'efficacité d'écriture et de lecture, la durée de stockage et la bande passante ainsi que les longueurs d'onde de fonctionnement. Ces améliorations seront permises par d’importants développements sur les milieux utilisés (augmentation de la densité optique et du temps de cohérence) ainsi que par la mise au point et l’utilisation de nouveaux protocoles (par exemple basés sur les variables continues ou l'inscription de multiples informations en parallèle permettant le multiplexage temporel ou spatial de l'information).

13.7 Portes logiques quantiques

Dans l’approche « circuit quantique » du calcul quantique, toute opération mathématique se décompose en un produit d’opérations élémentaires à un et deux bits quantiques, appelées portes universelles. Cette décomposition est l’extension de la logique classique (porte OU, ET, NAND…) au cas quantique. Une porte à un bit quantique permet de placer tout bit quantique dans n’importe quelle superposition α|0⟩ + β|1⟩. Expérimentalement, elle est obtenue en envoyant un faisceau laser ou une onde radio-fréquence sur le système physique sur lequel sont codés les deux niveaux logique |0⟩ et |1⟩ tels qu’un atome ou un ion. Pour tous les systèmes candidats au calcul quantique, ces portes sont désormais bien maîtrisées, avec des fidélités supérieures à 99%. La difficulté a surtout consisté à étendre au niveau d’objets quantiques uniques les techniques de physique atomique (oscillations de Rabi,

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franges de Ramsey…) développées depuis plus de 50 ans. La manipulation et le refroidissement d’atomes et ions par laser ont constitué une étape essentielle dans ce développement. Le vrai défi expérimental du calcul quantique est la réalisation des portes logiques à deux bits. On distingue deux portes logiques à deux qubits, qui sont équivalentes : la porte C-NOT et la porte de phase (C-PHASE). Dépendant du système physique étudié, l’une ou l’autre peuvent être plus ou moins faciles à produire. Une porte à deux qubits fait intervenir un qubit appelé de contrôle et un qubit cible. Les tables de vérité de ces deux portes sont données par : C-NOT : |00⟩ → |00⟩ ; |01⟩ → |01⟩ ; |10⟩ → |11⟩ ; |11⟩ → |10⟩ C-PHASE : |00⟩ → |00⟩ ; |01⟩ → |01⟩ ; |10⟩ → |10⟩ ; |11⟩ → - |11⟩, dans lesquelles le premier qubit est celui qui contrôle l’état du deuxième qubit, appelé cible. L’aspect quantique de ces portes se voit lorsque, par exemple le qubit de contrôle est placé dans la superposition |0⟩ + |1⟩, le qubit cible étant lui dans |0⟩. Dans ce cas le résultat de l’action de la porte conduit à l’état |00⟩ + |11⟩, qui est un état intriqué. Le concept clef dans la réalisation d’une porte à deux bits quantiques est donc celui d’intrication. Une étape préalable au développement d’une porte est donc la démonstration de l’intrication dans le système physique choisi. Parmi tous les systèmes physiques candidats au calcul quantique, seuls quelques uns ont démontré une porte à deux bits quantiques : les ions qui constituent le système le plus avancé (fidélité > 94%), les photons produits par conversion de fréquences et les circuits supra-conducteurs. Les atomes ultra-froids placés dans des réseaux optiques ont également démontré l’intrication mais en parallèle sur un grand nombre d’entre eux, et pas entre deux atomes individuels isolés. En France, deux approches pour réaliser des portes logiques avec des atomes individuels sont explorées. Les deux utilisent l’interaction entre atomes et photons. La première approche repose sur l’électrodynamique quantique en cavité. Le qubit est codé sur des états de Rydberg d’atomes de rubidium d’un jet atomique très dilué. Pour coupler deux atomes, et ainsi obtenir leur intrication puis une porte logique, les chercheurs envoient le jet atomique à travers une cavité radio-fréquence de très grande finesse, résonante avec la transition du qubit. La procédure d’intrication peut être résumée ainsi : un atome dans l’état excité du qubit pénètre dans la cavité et y dépose un photon. Un deuxième atome traversant la cavité et absorbe ce photon dépendant de l’état dans lequel il se trouve. Par cette méthode, on a démontré l’intrication de deux et trois atomes, ainsi qu’une porte de phase dans laquelle le qubit de contrôle est le photon et le qubit cible est porté par l’atome. La deuxième approche repose sur le piégeage et la manipulation d’atomes individuels dans des pinces optiques (faisceau laser très focalisé). Les atomes sont cette fois dans deux états hyperfins fondamentaux, donc de durée de vie très longue. Pour intriquer deux atomes, on utilise également des états de Rydberg, mais de façon transitoire. Le principe repose sur le phénomène de blocage dipolaire: l’interaction entre deux atomes dans un état de Rydberg est tellement importante, même à plusieurs micromètres de distance, que deux atomes ne peuvent être excités simultanément par un laser dans un tel état. Comme l’un ou l’autre peut être excité, l’état final des deux atomes est un état intriqué. Ce groupe a récemment démontré ce mécanisme d’intrication et travaille à la réalisation d’une porte logique basée sur ce principe. Pour terminer cette brève revue des portes logiques à deux bits quantiques utilisant des techniques de physique atomique, notons également l’utilisation de nano-cristaux de diamant pour la réalisation de porte logiques quantiques. Le diamant possède des « impuretés » de carbone 13, dont le spin nucléaire se couple au spin électronique d’un centre NV (absence d’un atome de carbone et impureté d’azote, l’ensemble constituant un atome artificiel). Il est envisageable d’utiliser le carbone 13 comme un bit de contrôle et le spin électronique comme un bit cible. Une troisième approche repose sur l’utilisation de composants semiconducteurs qui offrent l’avantage d’une grande compacité et simplicité d’utilisation, ainsi que la possibilité d’associer plusieurs composants sur un même circuit intégré. Plusieurs voies sont actuellement à l’étude pour progresser vers la réalisation d’une porte logique quantique à 2 photons. Une première idée consiste à utiliser des phénomènes d’interfèrence entre photons uniques. Pour y parvenir, il est nécessaire de disposer de sources permettant de générer avec une efficacité maximale des photons uniques dans un seul mode spatial, temporel, spectral et de polarisation. Un autre concept prometteur repose sur l’utilisation de composants présentant une susceptibilité optique non-linéaire géante, les rendant ainsi sensibles à des intensités de l’ordre du photon unique. Cette propriété peut être exploitée pour la réalisation de portes logiques photonique. Dans les deux cas, un important travail expérimental reste à accomplir pour démontrer la faisabilité d’une porte logique quantique présentant un niveau de fidélité

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acceptable. Les travaux actuellement en cours sur ce sujet visent à étudier différents types de composés (III-V ou II-VI essentiellement), et tester différentes architectures de composants permettant d’atteindre les performances recherchées. Pour finir, signalons également que des recherches prometteuses sont également menées sur la réalisation de simulateurs quantiques. Même si cette problématique est plus éloignée des celle des portes logiques, elle en partage les concepts fondamentaux, tels que l’intrication et les portes logiques (éventuellement à plus de deux atomes). Cette approche utilise pour l’instant les atomes ultra-froids dans des réseaux optiques.

13.8 Imagerie quantique

Cette thématique vise à étendre au domaine des images optiques la problématique que l’optique quantique a initiée dans le cas des faisceaux lumineux « simples », comme les faisceaux gaussiens : réduction des fluctuations quantiques au-delà de la limite quantique standard, production de corrélations et d’intrication quantique, application à l’amélioration des mesures optiques. Le passage à l’imagerie permet de s’attaquer à des problèmes importants comme celui de la résolution ultime en optique, de la « lithographie » ultime, c’est-à-dire la possibilité de tracer par méthodes optiques à longueur d’onde donnée les traits les plus fins possibles, la possibilité de faire du traitement d’image non limité par le bruit de photons. Les images optiques étant capables de transporter de manière parallèle une grande quantité d’information, l’imagerie quantique ouvre de plus la voie à une augmentation appréciable du débit des canaux quantiques d’information. L’Europe, et la France en particulier, ont été ces dernières années les fers de lance du domaine (projet QUANTIM), et des résultats importants ont été obtenus :

• estimation précise des limites quantiques à la résolution et des moyens pour aller au-delà ; • rôle exact des corrélations quantiques spatiales pour la formation d’images par « ghost

imaging » ; • production d’images spatialement corrélées au niveau quantique ; • amplification quantique d’images par effet paramétrique en cavité multimode • mesure d’infimes déplacements transverses de faisceaux lumineux, en dessous de la limite

quantique standard ; • rôle des fluctuations quantiques dans l’extraction d’information à partir d’images et dans le

traitement d’image. Après une phase de lent démarrage le sujet prend maintenant de l’ampleur outre atlantique, avec le soutien du DARPA et du DHS (R. Boyd à Rochester, J. Dowling à Louisiana State U., A. Sergienko à Boston, P. Lett au NIST), sur les questions de ghost imaging, d’amélioration de la résolution optique, de « lithographie quantique ». L’équipe du NIST Gaithersburg a récemment mis au point une méthode à la fois extrêmement efficace et simple de production d’images quantiques intriquées par mélange à quatre ondes dans une vapeur atomique non refroidie. Les bases conceptuelles du domaine semblent assez bien débroussaillées, et le sujet est amené à se développer essentiellement au niveau expérimental, grâce à l’amélioration progressive des techniques de production et de détection. Il y a par contre un gros effort théorique à faire pour l’utilisation de ces méthodes dans le traitement quantique massivement parallèle de l’information quantique, une étape indispensable sur le (long) chemin menant à un ordinateur quantique réellement utile. De l’imagerie quantique à l’optique quantique multimode : Les images, définies par un très grand nombre de paramètres indépendants, sont des systèmes fortement multimodes, et l’imagerie quantique a permis d’aborder le vaste domaine des systèmes quantiques très fortement multimodes, et de se forger des outils conceptuels d’investigation qui en dépassent le cadre. Les groupes impliqués dans l’imagerie quantique sont maintenant prêts à étudier d’autres systèmes quantiques très fortement multimodes ou multipartites. Parmi les sujets de recherche particulièrement porteurs dans ce domaine, on peut notamment citer les « peignes de fréquence quantiques ». Il s’agit d’un nouveau type de système fortement multimode (typiquement 100 000 modes fréquentiels différents), consistant en un train périodique d’impulsions de forme temporelle arbitraire. Comme les peignes de fréquence sont bien connus pour leur efficacité en métrologie, la manipulation de leurs fluctuations et corrélations quantiques permet d’envisager des

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progrès importants dans les mesures de précisions effectuées avec de telles sources lumineuses. Une méthode a par exemple été proposée pour mesurer d’infimes décalages temporels entre deux trains d’impulsion, avec une sensibilité pouvant atteindre théoriquement le domaine de la yoctoseconde (10-24 s).

13.9 Manipulation optique de spin

Bien que ce paramètre soit habituellement difficilement contrôlable dans la plupart des systèmes, l’orientation du spin d’une particule est une grandeur très robuste lorsque l’électron est placé dans des conditions particulières. Différentes approches offrent ainsi des propriétés prometteuses pour initialiser un spin individuel dans un état cohérent, le manipuler sans dégrader sa cohérence et au final le lire par voie optique. Des recherches sont actuellement en cours pour étudier le comportement de plusieurs systèmes reposant notamment sur l’utilisation d’un électron/trou ou atome magnétique piégé dans différents types de boites quantiques. Cette propriété de cohérence du spin, qui est au cœur de cette action, rend ce système très attractif pour la réalisation de portes logiques quantiques dans la matière condensée, utilisant le spin comme « quantum-bit », ou pour la spintronique. Un effort important est à mener pour comprendre les propriétés fondamentales qui peuvent limiter la cohérence de spin dans une boîte quantique, comme par exemple l’interaction hyperfine avec les noyaux ou bien le rôle du couplage spin-orbite. Il s’agit pour le futur d’identifier le système le mieux adapté aux applications visées et de développer les protocoles expérimentaux qui permettront de manipuler optiquement un spin en s’attachant en particulier à la réalisation des fonctions d’écriture et de lecture de l’orientation du spin dans une boîte quantique individuelle.


Sur cette thématique, les équipes françaises font partie des meilleures du monde et plusieurs premières mondiales particulièrement spectaculaires sont à mettre à leur crédit au cours des dernières années. On peut notamment citer l’observation de la localisation d’Anderson dans un gaz d’atomes ultrafroids, la caractérisation complète de l’état quantique d’un champ lumineux dans une cavité de très haute finesse, l'utilisation d'atomes piégés uniques pour l'information quantique, la réalisation de chats de Schrödinger optique ou de cryptographie quantique à partir de variables continues. Ces thématiques sont actuellement développées au sein de nombreux laboratoires français : LCFIO, LKB, MPQ, LPN, SYRTE, INSP, INL, IN, LPCNO, LAC, FEMTO-ST, LPMC (Nice), INLN, LCAR, PhLAM, LPL, LPQM…

13.11 Structuration de la communauté

Le GdR "Information et communication quantiques" (2001-2008) a permis de fédérer les équipes travaillant dans ce domaine. Un GdR avec des contours voisins est actuellement en gestation, et devrait aboutir à une création dans un futur proche. Par ailleurs, le GDR Ondes traite en partie de certains sujets qui se situent à l’intersection entre optique et information quantique.

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ANNEXES

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14 . QUELQUES CENTRALES DE TECHNOLOGIE

14.1 Grandes centrales technologiques

14.1.1 Le programme RTB

Le programme de Recherche Technologique de Base (RTB) a été initié en 2003 par le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche (MESR) pour créer et coordonner une infrastructure de recherche au meilleur niveau international dans le domaine des micro et nano-technologies. L’objectif est d’offrir à la communauté scientifique un ensemble de grandes centrales technologiques disposant d’équipements lourds mutualisés et localisés sur les sites de certains grands laboratoires, afin de développer des filières technologiques de haut niveau et constituer le socle nécessaire à l’essor des nanosciences et des nanotechnologies. Un réseau de centrales de proximité, de moindre envergure, complète à l’échelle locale l’offre des grandes centrales. L’ensemble du réseau a été labellisé en 2009 Très Grande Infrastructure de Recherche (TGIR) par le MESR. Enfin, l’Observatoire des Micro et Nanotechnologies (OMNT) assure une veille technologique et la diffusion des travaux de synthèse de groupes d’experts dans les domaines clé des micro-nanotechnologies. Le programme RTB est porté et coordonné par le groupement d’intérêt scientifique RENATECH et le laboratoire d’Electronique et de Technologies de l’Information (LETI) du Commissariat à l’Energie Atomique. Le Réseau National des Grandes Centrales Technologiques RENATECH, piloté par l’Institut des Sciences et de l’Ingénierie des Systèmes (INSIS) du CNRS et les tutelles universitaires des laboratoires, regroupe 6 unités de recherche: FEMTO (Besançon), FMNT (Grenoble), IEF (Orsay), IEMN (Lille), LAAS (Toulouse), LPN (Marcoussis). Les principales technologies-clé et domaines scientifiques développés par les grandes centrales sont illustrés ci-dessous :

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14.1.2 La photonique dans le programme RTB

Le programme RTB a permis de se doter d’une infrastructure technologique compétitive au niveau mondial pour mener une recherche de haut niveau, développer l’innovation et répondre aux besoins de la société dans les domaines de l’information et la communication, la biologie, l’énergie, l’environnement. Une « feuille de route » a été établie en 2009, en dégageant 5 domaines prioritaires :

• l’optoélectronique et la photonique

• la micro et nanoélectronique

• la spintronique et le nanomagnétisme

• les micro et nanosystèmes électromécaniques (MEMS et NEMS)

• les micro et nanosystèmes pour la biologie et la santé

et 2 axes transverses :

• l’instrumentation

• la simulation

Une stratégie de recherches a été définie dans chaque domaine, autour d’un nombre restreint de défis technologiques. Des procédés technologiques-clé et les équipements nécessaires ont été identifiés pour chaque défi afin d’intensifier le potentiel de recherche de la communauté et d’obtenir des résultats au meilleur niveau international. L’analyse du domaine de la photonique a mis en évidence son caractère foisonnant qui dépasse celui de l’optique et optoélectronique traditionnelles longtemps marquées par le développement de composants discrets. Deux grands vecteurs enrichissent et dynamisent le domaine général des recherches en photonique :

• l’apport des nanotechnologies et l’introduction des concepts de la nanophotonique qui seront à l’origine de véritables ruptures scientifiques et technologiques pour les futures générations de composants photoniques

• l’exigence de systèmes miniatures et hautement fonctionnels qui se heurte à ce jour au verrou de l’intégration photonique, tant dans un système « tout optique » que dans le cas d’une co-intégration de l’optique avec l’électronique, la chimie, la biologie etc ... De nouvelles architectures, l’interfaçage et la « convergence » de différentes technologies sont les clefs de voute indispensables au développement de futurs systèmes pour les communications, les systèmes embarqués, le médical, le contrôle de l’environnement, etc …

Bien évidemment, les recherches à mener concernent non seulement la conception et la réalisation de composants et micro-nanosystèmes innovants mais aussi des travaux plus « amont », en photonique et dans le champ pluridisciplinaire de l’optique. Les progrès sur les concepts, les procédés de fabrication, les approches d’intégration, l’implication d’équipes pluridisciplinaires autorisent la démonstration de nouveaux mécanismes fondamentaux bénéficiant de la maîtrise technologique à l’échelle nanométrique, au carrefour de plusieurs disciplines. Ainsi, la compréhension des mécanismes d’interactions de la lumière avec la matière à l’échelle sub-longueur d’onde conduit à des avancées en optique quantique, à une meilleure connaissance des phénomènes biologiques etc … Ce travail d’analyse et l’état des lieux des projets de recherche a conduit à dégager deux grands défis :

• Le premier tend à faire émerger de nouvelles sources, exploitant les récentes avancées fondamentales et de nouvelles approches technologiques. Le développement de concepts, technologies et architectures de ce composant-clé est essentiel pour répondre à la diversité des besoins, et des solutions génériques sont nécessaires pour obtenir des ruptures

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significatives et un essor de la photonique à grande échelle. Dans ce cadre il est nécessaire de repousser les limites des performances actuelles : extension du domaine spectral (visible, UV, THz, lumière blanche), pureté spectrale, qualité spatiale de l’émission, puissance, rendement, etc - en proposant et maîtrisant de nouvelles filières de matériaux (nouveaux alliages, matériaux actifs à base de nanocristaux ou boîtes quantiques, …), des architectures innovantes incorporant des métamatériaux, des cristaux photoniques, des effets plasmoniques, etc… L’absence de sources « intégrables » est d’autre part un obstacle majeur pour parvenir à des systèmes compacts, voire des systèmes sur puce ou même des circuits intégrés photoniques. Des architectures radicalement nouvelles, exploitant des phénomènes à l’échelle sub-longueur d’onde et des technologies génériques doivent être étudiées pour rendre les sources « intégrables » et ouvrir la voie à des systèmes laser sur puce et à une photonique « intégrée ».

• Le second défi s’attaque directement au verrou de l’intégration photonique en visant la faisabilité de systèmes photoniques sur puce. Il concerne l’hybridation et/ou l’intégration sur puce de différents types de fonctions, entièrement ou partiellement optiques. Il s’agit de développer des compétences scientifiques et technologiques permettant d’intégrer ou d’hybrider des fonctions optiques avec des fonctions issues de technologies spécifiques - électronique, hyperfréquences, électronique de puissance, microsystèmes, chimie, biologie… De plus, l’intégration de l’optique et de fonctions nanophotoniques impose des architectures et des procédés maîtrisant les 3 dimensions, de l’échelle nanométrique à l’échelle centimétrique. La complexité de l’approche nécessite une approche système, recherchant des voies méthodologiques et si possible génériques pour tirer pleinement le bénéfice des potentialités optiques, gagner en compacité et fonctionnalité par rapport aux systèmes discrets actuels. Ceci conduit à démontrer de nouveaux concepts d’intégration et leurs architectures associées, en mettant au point des procédés collectifs et reproductibles tirant notamment profit des équipements et du savoir-faire de la microélectronique. La réalisation de composants optiques et systèmes sur puce « compatibles CMOS » permet d’envisager des fonctions optiques « intelligentes » pour la détection et l’imagerie ; elle est aussi très prometteuse comme voie alternative aux composants sur verre traditionnels, en apportant une forte valeur ajoutée par l’apport de fonctionnalités inexistantes à ce jour, ainsi qu’une fabrication à grande échelle assurant reproductibilité et faible coût. Différents domaines d’applications sont concernés : interconnexions optiques, télécom, datacom, instrumentation, capteurs, systèmes embarqués, … Les travaux de recherche se déclinent selon plusieurs axes :

o intégration tout optique, composants optiques, micro-optique, optique adaptative : fonctions optiques sur semi-conducteurs III-V, LiNbO3, organiques, polymères, micro-optique intégrée etc…

o photonique sur silicium : problématique de la source Si, fonctions intégrées tout-optique, hybridation de la photonique III-V sur Si, intégration de l’optique et de l’électronique pour des fonctions avancées de modulation, routage, détection, …, imagerie, …

o intégration multifonctionnelle pour les capteurs, l’analyse, les laboratoires sur puce, …

14.2 Les centrales spécifiques et/ou de proximité

Ces centrales ont vocation à compléter, à l’échelle locale, les dispositifs du réseau des grandes centrales de technologie nationales. Il s’agit de salles blanches de taille modérée dotée d’équipements de base en matière de fabrication et d’observation développées au sein d’une concertation assurée par les C’Nanos. Ces équipements génériques doivent permettre la réalisation d'échantillons simples, les projets plus complexes et/ou nécessitant plus d’étapes technologiques pouvant être traités dans les grandes centrales.

Les objectifs de ce dispositif sont de:

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• permettre à la communauté scientifique de disposer, à l’échelle locale, de moyens de base d’élaboration et d’observation,

• apporter un soutien, à cette échelle, aux projets ne nécessitant pas les moyens lourds des grandes centrales,

• contribuer à la formation des doctorants et des chercheurs,

• s'ouvrir, dans des conditions à préciser, aux acteurs industriels, et en particulier aux PME

Le ministère, le CNRS et le CEA ont mis en place un soutien des centrales de proximité avec trois objectifs clairs :

• labelliser un nombre limité de projets de centrales, en apportant un fond d’amorçage ou d’équipement annuel

• assurer un maillage harmonieux du territoire national, prenant en compte la réalité de la répartition géographique des forces de recherche dans le domaine des nanosciences et des nanotechnologies

• afficher et soutenir les rôles que doivent jouer ces centrales de proximité, ouverture à la communauté locale, soutien aux projets à cette échelle, participation à la formation des doctorants et des chercheurs

Les 9 plateformes labellisées en 2009 sont les suivantes :

NANOFAB, à Grenoble, la plateforme lyonnaise ECL-INSA à Lyon, le Centre de Technologie de l'Université de Montpellier II, la centrale de technologie spécifique Grand-Est à Nancy et Strasbourg, L’Atelier de nanofabrication du SPEC-CEA à Saclay, les Salles blanches Paris Centre, la Centrale de proximité en nanotechnologies de Paris Nord, la Centrale de Technologie de Rennes et la centrale de proximité en micro-nano technologie de Marseille et Nice (CT-PACA).

À l'avenir, d’autres centrales de proximité, en nombre limité pourront être si elles remplissent bien les conditions requises d’ouverture et de contribution à la formation des doctorants, des chercheurs académiques et PME.

14.3 Plateforme fibres optiques de nouvelle génération

Depuis 2005, le Groupement d’Intérêt Scientifique « GRIFON » constitue une plateforme nationale dédiée à la synthèse de fibres optiques de nouvelle génération. Ce GIS s’appuie sur la mise en commun des moyens technologiques de fabrication et de caractérisation des plateformes d'Xlim (Limoges), du PhLAM (Lille) et du LPMC (Nice). L’objectif est d’offrir un plateau technique « fibres optiques » aux laboratoires de recherche académiques et industriels. Au sein de cette plateforme nationale, des méthodes d’élaborations et de caractérisations de verres et fibres optiques sont développées afin de réaliser des fibres optiques de nouvelle génération : fibres micro-structurées, fibres à trous, fibres à bande interdite photonique ou encore fibres multi-coeurs ou multi-gaine. Le nombre, la nature et les performances des équipements qui la constituent, font de la plateforme « GRIFON » une structure unique en Europe. De manière non exhaustive, citons parmi les principaux équipements : 3 bancs de synthèse de préformes de fibres optiques par dépôt en phase vapeur de type MCVD et OVD, 3 tours de fibrage et d’étirage dont 2 sont plus particulièrement dédiées à la réalisation de fibres micro-structurées, ou encore 2 systèmes de densification de préformes. Plus récemment le GIS a complété son offre par le développement de la technologie Sol-Gel et de la voie poudre pour l’élaboration de nouveaux matériaux ou l’introduction de micro et nano particules dans des guides optiques. Des fours tubulaires pour la vitrification et des bancs verticaux de consolidation de préformes (traitement avant fibrage) permettent également la réalisation de préformes originales. Le GIS dispose également d'équipements de caractérisation optique tels que des mesureurs de profil d’indice de réfraction, des bancs de mesure de dispersion chromatique, des

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microscopes électroniques, ainsi qu'un parc de sources et détecteurs couvrant une grande gamme spectrale s'étendant de l’UV à l’IR moyen. Ce plateau technique a permis et permet d’apporter une plus-value importante dans de nombreux projets scientifiques nationaux et européens. Parmi les réalisations citons des fibres toutes solides à bande interdite photonique, des fibres à cœur creux guidant dans l’UV, ou encore des fibres obtenues par synthèse Sol–Gel. Parmi les champs d’application de ces fibres, citons celui des sources lumineuses fibrées, qu’il s’agisse de sources lasers de forte puissance ou de sources supercontinuum. Les perspectives pour les prochaines années s’inscrivent dans le développement des guides optiques pour des bandes de longueur d’onde UV-visible, d’une part, et s’étendant de l’IR moyen au Terahertz, d’autre part. Ceci implique, pour la plateforme « GRIFON », d’optimiser et de mettre en place de nouveaux procédés de synthèse de matériaux. Deux objectifs principaux sont visés :

• la synthèse de volumes dopés plus importants ainsi que la maîtrise fine des profils d’indice pour la fabrication de fibres unimodales à larges cœurs. Ceci s’appuie sur de nouveaux procédés MCVD ou OVD avec dopage terre-rare en phase vapeur et sur des approches à base de vitrification de poudres

• les méthodes Sol-Gel, core-suction et la synthèse/insertion de nanoparticules, éventuellement dopées pour étendre les domaines d'applications des fibres et accéder à des propriétés nouvelles nécessitant la synthèse de matrices originales. Le but est, par exemple, d’obtenir des fibres ou des sources fibrées avec une diversification des longueurs d'onde émises, une augmentation de l'efficacité non linéaire ou l’accès à de nouvelles applications comme la fonctionnalisation des fibres ou la plasmonique.

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15 . RECENSEMENT

** les acronymes sont identifiables sur le WEB

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ARTHEMIS 1 BIPM 1 BRGM 1

CEA DAM 1 1 CEA DAM (CESTA) 1 1

CEA DAM (Le Ripault) 1 CEA DRT/LETI (Grenoble) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

CEA DRT/LITEN (Grenoble et Chambéry)

1 1 1 1 1

CEA DSM (Saclay) 1 1 1 1 1

CEA DSM/INAC (Grenoble) 1 1 1

CEA DSM/IRAMIS (Saclay) 1 1

CEA DSM/IRFU (Saclay) 1 CELIA 1 1 1 CEMES 1 1 CESR 1

CIMAP MIL 1 1 CIRIMAT 1 CLIO 1 1 CORIA 1 1 1 CPMOH 1 1 1 1 1 1 1 CPT (X) 1 CRAL 1 CRHEA 1 1 CRPP 1

DPG Mulhouse 1 ECPM 1

EDF R & D 1 ENSCM 1 ENSPCI 1

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ESPCI 1 1 ESPNI 1

FEMTO‐ST 1 1 1 1 1 1 1 1 1 FOTON 1 1 1 1 1 1 G2R 1

GEMaC (Meudon) 1 GEORGIATECH 1 1 1

GEPI 1 GES 1 1 1 1 GIPSA 1 GREMI 1 GSMA 1 Hôpital

des XV‐XX 1

IBL 1 ICB (Dijon) 1 1 1

ICMCB (Bordeaux) 1 1 IEF 1 1 1 1 1 1 1 1 1

IEMN 1 1 1 1 1 1 1 1 1 IES 1 1 1 IETR 1 IM2NP 1 1

IMEP LAHC 1 1 1 IMN (Nantes) 1

IMS 1 1 INL 1 1 1 1 1 1 1 1 1 INLN 1 InNess 1

INSP (Paris) 1 1 1 1 1 Institut Charles

Delaunay 1 1 1

Institut Curie 1 1 Institut de

Physique de Rennes 1

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Institut Fresnel 1 1 1 1 1 1 1 1 Institut Langevin 1 1 Institut NEEL 1 1 1

Institut Télécom 1 1 IPCMS 1 1 IPGP 1 IRCICA 1 1 1 ISAE 1 ISIS 1

ISL (St Louis) 1 1 1 ITODYS 1 L2TI 1 LAAS 1 1 1 1 1 1 1 1

Laboratoire des Lasers

1

LAC (Orsay) 1 1 1 1 LAGIS 1 LaHC 1 LALP 1 LAM 1 LAOG 1 LASIM 1 1 1 LASMEA 1 1 LCAR 1 LCFIO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

LCMTR Thiais 1 LCVN (Montpellier) 1

LE2I 1 LERMA 1 LESIA 1 LHC 1 1

LIRMM 1 LISIF 1 LKB 1 1 1

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LM2N 1 LMA (Lyon) 1

LMI 1 LMOPS (Metz) 1 1

LMP 1 1 LMPQ 1

LOA ENSTA 1 LOB 1 1 LP3 1 1 1 1 1 LPA 1 1

LPA (ENS Paris) 1 LPCA 1

LPCML (Lyon) 1 1 1 LPCNO 1 LPICM 1 1 1 1 LPL 1 1 1

LPMC (Nice) 1 LPMC (Palaiseau) 1

LPN 1 1 1 1 1 1 1 LPQM 1 1 1 1 LPS ENS 1 LRMH 1 LRS 1 LSIIT 1 LSIM 1 LSLP 1 LSOL 1 LSP 1 LULI 1 1 1 LVC 1 MIPS 1 MPQ 1 1 1 1

Observatoire de Grenoble

1 1

120/120



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Observatoire de Meudon

1 1

OCA 1 ONERA DTIM 1 ONERA‐DMPH 1 1 ONERA‐DOTA 1 1 1 1

PHASE 1 1 PhLAM 1 1 1 1 PIIM 1 1 1 1 POMA 1 1

PPSM (Cachan) 1 SOLEIL 1 1 SPCTS

Spectrométrie Physique

1 1

SYRTE 1 1 1 XLIM 1 1 1 1 1

56 13 23 12 54 11 42 48 21 6 17 7 18

V2_Rapport_Photonique CNRS

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