Conception et intégration monolithique de micro-OLED rapides sur silicium pour des communications lumineuses – DEUS

Deux récentes avancées crédibilisent la possibilité d'une révolution scientifique et technologique avec la naissance de l’optoélectronique organique ultra-rapide et de la photonique organique sur circuit intégré: 1- des réponses optiques sub-ns et -ps émises par des diodes électroluminescentes organiques ultra-rapides (HS-µ-OLED) fruit de la combinaison de techniques micro-ondes et d’hétérostructures organiques, 2- l'intégration hétérogène très facile d’OLED sur Silicium (Si) pour les micro-afficheurs organiques. Afin d'évaluer ces promesses et d'étudier si ces HS-µ-OLEDs constituent une alternative aux LED GaN, le projet DEµS vise 1- la fabrication d’OLEDs ultra-rapides intégrées sur Si à émission par le haut comme émetteurs optiques de données et, 2- de mettre en œuvre des formes d'onde de modulations optimisées pour ces HS-µ-OLEDs et des architectures innovantes de conversion numérique-optique à base de matrices de HS-µ-OLEDs pour cibler des débits de transmission de 10+Gbit/s. Ceci sera atteint en considérant les 3 objectifs principaux suivants.
Premièrement, une réduction d’un facteur 10 de la réponse temporelle des OLED est ciblée. Au niveau matériau, une étude des petites molécules fluorescentes rapides déjà disponibles sera réalisée pour définir des matériaux les plus appropriés, dans les longueurs visibles mais aussi dans le spectre proche infrarouge. Au niveau composant, dans le but de minimiser la durée de vie électroluminescente, deux nouveaux paradigmes seront adressés pour le design d’hétérostructures organiques à haute vitesse : la distribution spatiale dynamique des polarons sera maximisée exactement dans la couche de recombinaison/émission pendant le pulse d’excitation ; ensuite, les conditions optimales de fonctionnement seront identifiées en soulignant le rôle important du taux de recombinaison de Langevin dans la réponse dynamique des OLEDs.
Le 2nd objectif concerne des procédés innovants pour l’intégration monolithique sur circuits Si pour des HS-µ-OLEDs unitaires et des HS-µ-OLEDs groupées en matrices, avec une architecture à émission par le haut. Des HS-µ-OLEDs avec des électrodes coplanaires à guide d’onde seront intégrées sur substrat Si, une première mondiale. Le substrat Si sera utilisée pour sa meilleure dissipation de chaleur et pour l’objectif ciblé d’intégration monolithique. Aussi, les effets de microcavités faibles seront optimisés allant jusqu’à contrôler la durée de vie d’électroluminescence.
Le 3e objectif concerne l’implémentation de formes d’ondes complexes et d’architectures innovantes sur des HS-µ-OLEDs unitaires et matricielles. Des modulations d’intensités de type multiporteuses très élaborées tireront partie des performances intrinsèques des HS-µ-OLEDs unitaires du projet DEµS, dans des transmissions optiques sans-fil en temps réel, mixant matériel et logiciel, dans le but d’atteindre jusqu’à 10 Gb/s. Enfin, au niveau système, nous développerons des architectures originales pilotant des matrices de HS-µ-OLEDs. Des nouveaux schémas de conversion directe Digital-vers-Optique seront designés en pilotant les matrices par le signal quantifié à émettre. Cet objective final mettra ainsi en œuvre le double bénéfice des HS-µ-OLEDs développées dans DEµS : leurs capacités de modulations ultra-rapides et leur facilités d’intégration sur Si.
En parallèle, le projet DEµS adressera aussi une analyse des mécanismes de dégradations des OLED en les soumettant à des excitations constantes mais aussi dynamiques, à haute fréquence pendant de longues périodes, à chaque étape (matériau, composant, système) dans le but de garantir l’intégration des HS-µ-OLEDs dans des produits viables.
En conclusion, nous croyons fortement qu’une révolution est à portée de main avec l’optoélectronique organique ultra-rapide qui s’avère être aussi, sinon plus, rapide que ces concurrents inorganiques. Le consortium de DEµS rassemble les partenaires français les plus appropriés pour transformer ces promesses en réalité.