Projet ANR-12-JS10-0004 – Ca (Re-)Lase ! : Laser à Nanotubes de Carbone (rechargé)
Programme : JCJC - SIMI 10 - Nanosciences (JCJC SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Nicolas Izard (Université Paris-Sud / Institut d'Electronique Fondamentale)
Partenaires : Institut d'Électronique Fondamentale
Montant : 255008.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Réalisation d'un laser à nanotubes, pompé électriquement, intégré sur siliciumLes besoins de communication entre les différents cœurs au sein des microprocesseurs croissent de pair avec leurs montée en puissance. Ce projet ambitionne de résoudre un des verrous pour l'avènement de communications optiques dans les processeurs par la réalisation d'un laser à nanotube de carbone intégré sur silicium.
La problématique des interconnections optiquesLe domaine de la photonique silicium est très actif, que ce soit pour résoudre les problèmes des interconnections métalliques dans les microprocesseurs ou dans les télécommunications. La réalisation d'un tel « lien optique » implique le développement de fonctions de base, comme une source laser, un modulateur optique et un photo-détecteur. Il n'existe pas aujourd'hui de matériaux pouvant réaliser ces différentes fonctions et être intégré de façon monolithique avec le silicium.Les nanotubes de carbone sont un nano-matériaux relativement récent, présentant des propriétés optiques et électriques très originales, et pouvant en théorie réaliser l'ensemble des fonctions nécessaire à la réalisation d'un lien optique. Le projet « Ça (Re-) Lase ! » s'attaque à la première fonction nécessaire et la plus emblématique, la source laser sur silicium.Les nanotubes sont un matériau très versatile, présentant de fortes propriétés d'émission de lumière sous excitation électrique. Cette émission de lumière est accordable en longueur d'onde dans le domaine du proche infra-rouge en sélectionnant, par diverses techniques d'extraction, des nanotubes de carbone d'une structure bien particulière.Les retombées de ce projet sont bien plus large que la réalisation d'une source laser à nanotubes. La réalisation des fonctions optiques et électroniques en utilisant un seul et même matériaux offre de nouvelles perspectives dans la convergence de l'optique et de l'électronique. De plus, la « photonique des nanotubes » est un domaine en émergence, et les retombées potentielles dans les domaines de la modulation optique, de la biophotonique, du médical ou de l'environnement sont très grandes.
La photonique des nanotubes de carboneLes techniques de syntèse des nanotubes de carbone sont très variés, et produisent des nanotubes de divers diamètres. Cependant, toutes ces techniques ont en commun de produire  simultanément des nanotubes métalliques et semiconducteurs. Il n'est pas possible de synthétiser spécifiquement un type de nanotubes. La présence de nanotubes métalliques dans les échantillons est un grand frein pour les applications optiques en général, et photoniques en particulier, car ils agissent comme des inhibiteurs de photoluminescence.Il est donc primordial d'obtenir des échantillons purement constitués de nanotubes semiconducteurs, en absence des impuretés constitués par les nanotubes métalliques. Un des verrous technologique que ce projet ambitionne de résoudre est l'extraction sélective de nanotubes de carbone semiconducteurs, émettant à 1,5 µm, la longueur d'onde des télecommunications.Un autre défi est le pompage électrique des nanotubes, qui repose sur une injection efficace des porteurs (électrons et trous) pour une recombinaison avec émission de lumière. Diverses pistes sont envisagées, reposant sur l'ingénierie du contact nanotube/électrode. Enfin, la réalisation d'un laser intégrée repose sur l'intégration efficace des nanotubes au sein de guides d'onde silicium. Diverses structures photoniques sont en cours d'étude, comprenant des resonnateurs de Bragg, ou des cavités en anneaux.
Résumé de la soumission : La photonique Silicium est un domaine de recherche très actif depuis de nombreuses années, au début pour résoudre le problème posé par les interconnexions métalliques dans les circuits CMOS, mais est de plus en plus étudié pour réduire les coûts des composants dans les télécommunications optiques. La réalisation d'un « lien optique » passe par le développement de briques de base, source laser, modulateur optique et photo-détecteurs, facilement intégrable sur la plate-forme  silicium. De nombreuses solutions ont été développés (III-V, Germanium, Silicium nanocristallin ...), mais leur intégration monolithique sur silicium reste problématique à cause des matériaux différents utilisés pour la source, le modulateur et le détecteur. L'utilisation des nanotubes de carbone peut permettre une intégration monolithique des différents composants avec le même type de nanotubes (chiralité, diamètre). Dans ce contexte, le projet « Ça (Re-)Lase ! » propose de se focaliser sur la source, et de réaliser une source laser pompé électriquement intégrée sur silicium. Le choix des nanotubes de carbone pour ce projet se révèle pertinent. Ceux-ci présentent, entre autres originalités, un comportement métallique ou semiconducteurs, se traduisant par une grande variété de propriétés optiques et électriques en fonction de la structure des nanotubes. Ce comportement suscite un grand intérêts des nanotubes pour la nano-électronique et la nano-optoélectronique. Au niveau électronique, les transistors à base de nanotubes de carbones présentent des performances prometteuses, et leur compatibilité avec les technologies employées par l'industrie micro-électronique est en cours d'étude. Ainsi, l'ITRS, le consortium industriel chargé de réfléchir au futur de la microélectronique, commence à s'intéresser sérieusement aux nanotubes de carbone en tant que possible canal ultime des transistors MOSFET, ou comme via métallique. Au niveau optoélectronique, les nanotubes de carbones présentent une forte photo- et électro-luminescence dans le domaine proche/moyen infra-rouge (1 µm à 5 µm), accordable en choisissant un nanotube de diamètre et chiralité précis. La possibilité d'utiliser un pompage électrique pour l'émission lumineuse est très favorable pour le développement de source laser basé sur les nanotubes de carbone. De plus, une percée à été récemment réalisée à l'IEF avec la première observation de gain optique dans les nanotubes de carbone semiconducteurs, ce qui constitue un premier pas important vers la réalisation de la source laser. Ainsi, l'utilisation des mêmes nanotubes pour la réalisation des fonctions optiques et électroniques, tel que proposé par « Ça (Re-)Lase ! », est une perspective innovante pour l'intégration monolithique des fonctions électroniques et optiques dans les microprocesseurs du futur. Du contexte présenté ci-dessus, nous voyons que les nanotubes de carbone sont des matériaux très polyvalents, possédant à la fois des propriétés optiques et électroniques très riches. Les nanotubes de carbone sont de bons candidats pour la réalisation d'une source laser. Ceci illustre la pertinence du projet « Ça (Re-)Lase ! » avec le choix des nanotubes de carbone pour la réalisation d'un laser pompé électriquement intégré sur silicium. Les retombés de « Ça (Re-)Lase ! » seront beaucoup plus vaste que la source laser à nanotube. La thématique de la photonique des nanotubes de carbone est un domaine en pleine émergence, et les potentialités des nanotubes pour la modulation optique, la photodétection, la bio-photonique ou encore les applications bio-médicales ou environnementales sont énormes.
Résultats : Le projet vient de débuter, mais les premiers résultats sont prometteurs.
Perspectives : Le projet « Ça (Re-) Lase ! » ouvre des perspectives dans deux grands domaines.
- La photonique : la réalisation d'une source laser intégrée électriquement sur silicium sera une percée technologique, de première importance pour la photonique, avec la possibilité de réaliser un lien optique avec un matériaux unique, compatible avec la technologie actuelle. Les enjeux industriels et sociétaux sont énormes
- La recherche sur les nanotubes : la méthodologie employée ici ouvre des perspectives pour  l'étude des phénomènes non linéaire dans les nanotubes, comme les effets Stark et Kerr.
Publications et brevets : * 1 acte de conférence + 1 communication orale associée : A. Noury et al. « Light Emission at Telecom Wavelengths from Single-Walled Carbon Nanotubes », SPIE Microtechnologies, 24 au 26 avril 2013, Grenoble, France
* 1 communication orale, A. Noury et al., « s-SWNT based silicon photonic devices : coupling nanotubes' photoluminescence with passive waveguides and Bragg micro-resonators », GDR-i GNT, 8 au 12 avril 2013, Lorient, France
Ces deux communication présentent les premiers résultats obtenus sur l'intégration des nanotubes de carbone dans des structures photoniques.