La communauté scientifique fédérée par le PEPR Electronique, ce grand programme national qui doit stimuler la recherche académique et renforcer la filière française dans le domaine, s’est donné rendez-vous du 17 au 21 mars dernier à la Cité des sciences et de l’industrie, à Paris. Ces journées scientifiques sont l’occasion pour les chercheurs de rencontrer leurs pairs, de faire un point sur l’état d’avancement des divers projets de recherche et d’en découvrir de nouveaux, intégrés à la suite d’appels à projets.
Le projet ciblé Nanofiln, commencé officiellement le 1er mai 2024 pour 48 mois, est de ceux-là. Doté d’un budget de 3 millions d’euros, il vise à produire des films en niobate de lithium (LiNbO3) suffisamment qualitatifs pour que les composants optiques gagnent en performance. « Le niobate de lithium est utilisé depuis longtemps dans les télécoms pour faire de la modulation optique, expose Mathieu Chauvet, professeur à l’institut Femto-ST de l’université Marie et Louis Pasteur (anciennement université de Franche-Comté), qui codirige le projet avec Soazic Leforestier, ingénieur au CEA. Grâce à cette modulation, on code des informations sur le signal optique transmis par la fibre optique. »
Une modulation à 100 GHz contre 40 GHz
Mathieu Chauvet cite le français Exail, fruit du rapprochement d’iXblue et d’ECA Group, parmi les leaders du secteur. Si le niobate de lithium est devenu courant dans le monde des télécoms, il n’en reste pas moins toujours digne d’intérêt, sa nanofabrication en films permettant de bonifier significativement la modulation optique.
« La lumière est typiquement confinée dans un guide d’onde LiNbO3 de 10x10 microns, sur un substrat aussi en niobate de lithium, et des électrodes de chaque côté du guide servent à appliquer un champ électrique qui module la lumière, détaille Mathieu Chauvet. En déposant une couche de LiNbO3(il est question d’une épaisseur de quelques centaines de nanomètres à quelques microns, ndlr), on peut rapprocher les électrodes et moduler plus vite. On espère atteindre 100 GHz, contre 40 GHz actuellement. »
Le film de niobate de lithium est déposé sur de la silice, qui elle-même recouvre un wafer en silicium. « On espère à plus long terme combiner des fonction optiques et électroniques basées sur le silicium », complète Mathieu Chauvet. Pour autant, il n’est pas question de photonique sur silicium. « Dans notre cas, on n’utilise pas le silicium pour ses propriétés optiques mais juste comme support mécanique. »
Intégrer des fonctions multiples
L’ambition du projet Nanofiln va plus loin que la modulation optique pour les télécoms, puisque les propriétés optiques non-linéaires du LiNbO3 seront aussi mises à profit. « On souhaite réaliser des fonctions de conversion de fréquence optique, plus efficace quand les guides d’onde ont de faibles sections, poursuit Mathieu Charvet. La conversion requiert habituellement des faisceaux optiques puissants, de l’ordre du watt, et grâce à de petits guides, on pourrait descendre jusqu’au milliwatt, ce qui est la puissance typique employée dans les télécoms. »
Mathieu Charvet liste les applications potentielles : liaisons en espace libre, astronomie (pour convertir les longueurs d’onde non visibles en longueurs d’onde visibles auxquelles les capteurs sont plus sensibles) et analyse environnementale. « On convertirait une source laser infrarouge en source laser moyen infrarouge, car beaucoup de polluants ont une bande d’absorption dans cette gamme de longueur d’onde(2,5 à 25 microns, ndlr) », précise-t-il. Le niobate de lithium, du fait de sa non-linéarité optique, aurait aussi une utilité pour les communications et le calcul quantiques, offrant la possibilité de générer des photons intriqués.
Plusieurs défis techniques attendent les chercheurs impliqués dans le projet, qui doit aboutir à deux démonstrateurs, l’un pour la modulation optique, l’autre pour la conversion. « La première difficulté est d’obtenir des films de niobate de lithium de bonne qualité, développe Mathieu Chauvet. Il y a peu de fournisseurs, comme la société chinoise Nanoln, qui livre à tous les labos et start-up. On a cependant la chance de compter sur le CEA-Leti dans ce projet, qui maîtrise la technique de fabrication par découpe ionique, ou Smartcut. On essaiera des alternatives : l’épitaxie et le report-amincissement. Ensuite, on doit graver le circuit photonique, car il n’est pas juste question de composants, notre ambition étant d’intégrer des fonctions multiples – résonateurs, diviseurs optiques... Le niobate de lithium est cependant difficile à graver. La rugosité de la surface doit être inférieure au nanomètre, faute de quoi le circuit accuse des pertes optiques. »
Deux deeptechs étrangères sur le coup
Mais le projet est bien lancé, selon lui : « Les résultats sont encourageants, nos premiers guides montrant des pertes de 0,2 décibels par centimètre. On veut descendre en-dessous de 0,1. On s’approche de l’état de l’art. Mais ces performances doivent être reproductibles sur une série de puces, et on n’y est pas encore. » Le niobate de lithium ne pouvant servir de source laser, l’étape ultime du projet sera d’hybrider le circuit photonique du projet Nanofilm avec d’autres plateformes technologiques, les lasers III-V faisant partie des candidats.
Mathieu Chauvet reconnaît cependant que la France n’est pas en avance sur le sujet, deux deeptechs ayant dans leurs cartons des produits faisant appel à une technologie similaire : Hyperlight aux Etats-Unis, une spin-off d’Harvard fondée en 2018, et Versics, issue en 2022 de l’école polytechnique de Zürich.
