Nano-couches minces commutables pour la photonique sur silicium : vers de nouveaux composants optoélectroniques ultra-efficaces – SNAPSHOT

Nous vivons dans un monde numérique et connecté dont le fonctionnement repose en partie sur la transmission et le traitement rapides de données digitales. Cela est principalement dû au développement de la microélectronique, qui est à la base de la grande majorité des composants technologiques modernes. Ce domaine fait actuellement face à des verrous scientifiques liés aux interconnexions métalliques, qui empêchent les améliorations futures en termes de rapidité et d’efficacité énergétique. La convergence Electronique/Photonique est actuellement considérée comme l’une des solutions les plus prometteuses pour remédier rapidement à ce problème. Cependant, le silicium, qui est le matériau « pilier » de l’industrie microélectronique est intrinsèquement limité en termes de propriétés électro-optiques. Dans ce contexte, il existe un fort intérêt scientifique orienté vers l’intégration hétérogène de nouveaux matériaux fonctionnels sur substrat silicium. L’avantage de cette stratégie est double : (1) elle permet d’utiliser des matériaux dont les propriétés électro-optiques sont intrinsèquement bien supérieures à celles du silicium. (2) Garder le silicium comme plateforme permet la co-intégration future de fonctionnalités électroniques et photoniques. Un tel challenge requiert nécessairement différents champs de la physique, allant de la science des matériaux à l’ingénierie photonique et électrique.

Le projet SNAPSHOT a pour but de développer des dispositifs optoélectroniques accordables et hautement intégrables, tirant profit des propriétés électro-optiques exceptionnelles de matériaux commutables intégrés sur silicium. Les matériaux commutables sont des matériaux dont on peut modifier de manière contrôlée l’indice de réfraction par un signal externe. Dans ce projet nous nous focalisons plus précisément sur trois d’entre eux: VO2, GeSbTe et GeSe. Le premier est un oxyde qui présente une transition isolant-métal résultant en une modulation extrêmement large de son indice de réfraction (delta n > 1) dans une échelle de temps très rapide (~100 fs). Les deux autres matériaux (GeSbTe et GeSe) appartiennent à la catégorie des chalcogénures et peuvent être commutés d’un état amorphe vers un état cristallin dans une échelle temporelle inférieure à la nanoseconde. Ces états amorphe/cristallin d’indices de réfraction différents (delta n = 0.4) sont stables et permettent donc une reconfigurabilité de l’environnement photonique.

Dans ce cadre, l’objectif principal de SNAPSHOT est d’implémenter une plateforme à base de matériaux à changement de phase pour la photonique sur silicium, non seulement pour améliorer les briques de base existantes en termes de fréquence, de bande passante et de consommation mais aussi pour l’ouvrir à de nouvelles fonctionnalités telles que la reconfigurabilité non-volatile, impossible à obtenir avec le silicium lui-même. Une stratégie de design photonique permettra d’exploiter au maximum les propriétés uniques de ces matériaux tout en en contournant les désavantages. Nous concevrons et fabriqueront des dispositifs nanophotoniques et optoélectroniques accordables originaux, monolithiquement intégrés sur silicium, dont l’intérêt sera illustré à travers deux principales classes de démonstrateurs : (1) Nouvelles approches pour des modulateurs électro-optiques intégrés ultra-efficaces. (2) Metasurfaces et métamatériaux accordables et reconfigurables.

Cette approche d’intégration hétérogène se place en rupture avec les technologies actuelles. Le but à long terme est de réaliser une avancée considérable vers l’intégration complète de dispositifs nanophotoniques agiles avec les technologies microélectroniques silicium. Afin d’atteindre cet objectif, nous conduirons un programme ambitieux qui se base à la fois sur l’expérience du coordinateur dans les domaines de la photonique silicium et des matériaux commutables et sur l’expertise de l’équipe dans les composants nanophotoniques et les nanotechnologies associées.