Projet de recherche P7/35 (Action de recherche P7)
La Commission Européenne a reconnu l’importance de la photonique en identifiant cette discipline comme l’une des cinq Technologies Clés pour l’Europe (Key Enabling Technologies3), à côté de la nanotechnologie, de la micro- et de la nanoélectronique, des matériaux avancés et de la biotechnologie. La photonique est une technologie sous-jacente à une grande diversité de domaines d’application : parmi ceux-ci, les technologies de l’information et des communications, l’énergie, les soins de santé, l’éclairage et les écrans, les senseurs, la métrologie et l’outillage industriels. Le présent projet photonics@be: towards smart photonics in 2020 est un réseau de groupes de recherche qui contribuera, au niveau belge, aux objectifs ambitieux de l’Europe dans le domaine de la photonique. Ce réseau se situe dans la continuation du projet photonics@be : micro nano and quantum photonics4 qui a été couronné d’un vif succès. Il regroupe les équipes à la pointe de la photonique en Belgique et couvre un large champ d’expertise allant du développement de nouveaux matériaux aux technologies de fabrication les plus avancées. Cette expertise technologique est soutenue par une recherche fondamentale de haut niveau dans des domaines tels que la théorie de l’information quantique, l’optique quantique, la physique des systèmes dynamiques non linéaire, les réseaux neuronaux et l’intelligence artificielle. Dans le présent projet, nous allons concentrer toutes ces expertises dans un domaine de recherche que l’on appelle la « photonique intelligente » (smart photonics).
La photonique intelligente a pour but d’implémenter, dans un dispositif, une fonctionnalité relativement unique ou sophistiquée en mettant en oeuvre une consommation d’énergie et de matériaux limitée. La photonique intelligente réalisera des fonctionnalités avancées en combinant les matériaux les plus innovants, intégrera ces matériaux sur des puces pour réduire l’encombrement et la consommation énergétique, combinera ces composants pour réaliser des sources lumineuses ou des instruments de mesure avec des performances sans précédent, et combinera toutes ces ressources dans des architectures de dispositifs originales. La photonique intelligente réalisera les progrès, tant au niveau du composant et que du système, qui sont essentiels pour répondre aux défis de la décennie à venir.
Les partenaires du présent réseau on développé des technologies de fabrication de pointe, comprenant une plateforme de fabrication de silicium sur isolant (en collaboration avec imec), une plateforme pour la réalisation de composants InP intégrés, une plateforme de prototypage polymère, une plateforme d’inscription de réseaux de Bragg fibrés, une tour de fibrage, et un laboratoire de synthèse de points quantique. Le développement futur de ces plateformes technologiques ne fait pas en soi partie du présent projet, car notre expérience passée a montré que ces activités ne se prêtent pas facilement à de la recherche collaborative. Mais cependant, ces plateformes de fabrication seront rendues accessibles à tous les partenaires du projet. Elles constituent donc le socle technologique sur lequel sont bâtis les 5 groupes à tâches (WP) collaboratifs.
Les 5 groupes à tâches collaboratifs sont structurés comme suit.
Dans le WP1, intitulé “matériaux hybride pour les dispositifs photoniques intelligents“, nous développerons les nouveaux matériaux et combinaisons de matériaux qui joueront un rôle clé dans la réalisation de notre vision de la photonique intelligente. Ce WP impliquera essentiellement la fonctionnalisation des technologies que nous maîtrisons bien -telles la photonique intégrée en silicium et en Si3N4, les fibres optiques et les composants photonique en polymère- avec des points quantiques et des films minces non organique pour réaliser du gain, de la non-linéarité ou de la photodétection. Nous étudierons les potentialités des cristaux liquides en phase bleue pour la commutation rapide, du silicium amorphe pour des fonctions non linéaires de grande efficacité, des colorants nouveaux pour les intégrateurs solaires, du graphène pour des composants photoniques ultra compacts, des polymères liquides et des cristaux liquides en combinaison avec des nano antennes plasmoniques pour l’aiguillage de faisceaux lumineux.
Le WP2 sera dévolu aux “sources lumineuses intelligentes“, c'est-à-dire aux sources lumineuses qui intègrent des fonctionnalités additionnelles. Par exemple nous étendrons la gamme des longueurs d’onde d’émission des points quantiques vers l’infrarouge moyen. Nous augmenterons l’efficacité des diodes electroluminescentes LED. En exploitant notre importante expertise en dynamique non linéaire, nous développerons de nouvelles classes de sources fibrées tels les lasers aléatoires et les sources de supercontinuum. La combinaison de cristaux liquides avec des VCSEL et d’autres lasers sera étudiée.
Le sujet principal du WP3, la “réduction d’échelle en photonique“, est essentiel pour augmenter les niveaux d’intégration, les performances, et la durabilité des dispositifs photoniques. Nous travaillerons sur la miniaturisation des sources lumineuses et des détecteurs afin que des milliers d’entre eux puissent s’intégrer sur une seule puce, sur l’extension de la plateforme silicium vers l’infrarouge moyen et le visible, sur l’optique quantique où la lumière est manipulée à l’échelle du photon unique, ainsi que sur le développement d’un « labo sur puce » exploitant l’optofluidique. Nous envisagerons également d’utiliser la lumière lente pour augmenter la miniaturisation.
Le WP4 concerne le “traitement intelligent de la lumière“. Des modulateurs à base de points quantiques, ainsi que des commutateurs basés sur de mécanismes de brisure de symétrie nouveaux, sur des matériaux ferro-électriques, sur le silicium amorphe et sur les cristaux liquides seront étudiés dans ce WP. Seront également étudiés la dynamique des lasers, leur accordabilité, et l’aiguillage de leurs faisceaux lumineux.
Finalement le WP5 sera dévolu aux “nouveaux paradigmes computationels“. Ici nous poursuivrons nos travaux sur le « reservoir computing » optique, un nouveau paradigme que nous avons introduit dans le projet IAP précédent. L’utilisation de réseaux de composants photoniques non linéaires permettra de résoudre des problèmes de classification de signaux avec des consommations énergétiques bien plus faibles, ou des vitesses bien plus élevées, que les approches traditionnelles. La recherche dans ce WP se situe à la frontière entre les domaines de l’intelligence artificielle, de la dynamique des systèmes non linéaires, et de l’architecture des systèmes photoniques.
Ces 5 groupes à tâches sont étroitement liés: à titre d’exemples, les matériaux hybrides du WP1 seront utilisés dans les WP 2, 3 et 4; la réduction d’échelle réalisée dans le WP3 sera intimement liée aux progrès réalisés dans les WP 2 et 4; le réseau de composants photonique du WP5 pourra être fourni par les WP 2 et 4.
Suite à l’évaluation positive du projet IAP précédent, la gestion administrative du projet est essentiellement inchangée. Philippe Emplit (ULB) continue à coordonner le projet, soutenu par deux coordinateurs adjoints, Peter Bienstman (UGent) et Serge Massar (ULB).
Dans ce projet nous mettrons un accent fort sur la formation des jeunes chercheurs et sur les collaborations entre partenaires. Chaque entité partenaire du projet compte plusieurs professeurs et chercheurs ayant récemment obtenu des postes permanents. Le réseau photonics@be est structuré pour permettre à tous ces jeunes chercheurs de faire de la recherche en photonique au plus haut niveau, dans un environnement flexible et hautement stimulant. Le réseautage sera encouragé par notre workshop annuel et notre newsletter bisannuelle. Notre école doctorale annuelle est essentielle tant pour le réseautage que pour la formation des jeunes chercheurs.
Nous maintiendrons également le concept très original d’une «équipe de catalyseurs» consistant en 2 ou 3 jeunes professeurs qui visiteront toutes les équipes afin de connaître à fond les recherches réalisées au travers du projet. Ils seront alors le noyau autour duquel de nouvelles opportunités de recherche collaborative se constitueront naturellement.
L’auto-évaluation du réseau sera assurée par un comité de suivi international qui procèdera à une évaluation interne du projet à mi-parcours. Finalement nous étendrons la communication au¬delà des limites du projet, tant vers nos collègues scientifiques à travers l’organisation de conférences et de workshops, que vers le grand public et les élèves des écoles secondaires.
