La science et la technologie de la lumière dans nos vies

Publié le lundi 22 mars 2021

Pierre Berini dans son laboratoire de photonique

Pierre Berini dans son laboratoire au Centre de recherche en photonique de l'Université d'Ottawa.

Les progrès de la photonique (la science et la technologie de la lumière) sont essentiels à l’avènement de la prochaine génération de technologies transformatrices : capteurs pour la surveillance de l’environnement et les diagnostics au point de traitement, lidar pour la conduite autonome, dispositifs avancés dans les domaines de l’énergie verte et des réseaux à haute performance, etc.

Or, un nouveau programme de recherche dirigé par Pierre Berini et Karin Hinzer, de la Faculté de génie, vise justement à accroître la miniaturisation et l’intégration de matériaux photoniques avancés et à améliorer les processus de fabrication dans diverses industries, notamment les télécommunications, les soins de santé, la production manufacturière et l’énergie.

Il s’agit de l’un des cinq projets de l’Université d’Ottawa à se partager une subvention de 23 millions de dollars du Fonds d’innovation 2020 de la Fondation canadienne pour l’innovation.

M. Berini et Mme Hinzer nous racontent leur passion pour la photonique et expliquent comment leur projet changera nos vies.
 



Le commun des mortels connaît mal la photonique, pourtant très présente dans nos vies. Comment décririez-vous, à un souper de famille, votre domaine d’expertise et votre contribution à son avancement?

[KH] : La photonique, c’est la création et la gestion de la lumière. Depuis 25 ans, je travaille à la mise au point de dispositifs, notamment des panneaux solaires et des lasers, qui convertissent la lumière en électricité et l’électricité en lumière avec le moins de perte d’énergie possible. Pour y parvenir, j’utilise souvent les nanotechnologies. En fait, les dispositifs et des applications que nous créons ont de nombreuses applications dans notre vie de tous les jours.

[PB] : Je suis spécialisé en nanophotonique, c’est-à-dire la science et la technologie de la lumière à l’échelle nanométrique. Pendant la majeure partie de ma carrière, j’ai travaillé sur la miniaturisation des structures et l’intégration des matériaux pour développer des dispositifs photoniques avancés, tels que des biocapteurs qui détectent rapidement des maladies au point de traitement, des réseaux à fibre optique de nouvelle génération et des surfaces structurées capables de contrôler la réflexion spectrale, idéales pour produire des dispositifs servant à diriger des faisceaux optiques.
 

Avec ce nouveau financement, vous visez encore plus petit. Pourquoi, et jusqu’où croyez-vous pouvoir aller?

Les composants miniatures réduisent la consommation d’électricité et le bilan carbone. Les technologies nanophotoniques peuvent donc améliorer l’efficacité et la durabilité des appareils que nous utilisons quotidiennement et de leurs composants.

Notre nouvelle trousse à outils financée par la FCI nous permettra de concevoir des composants aussi miniatures que 10 nm, soit 10 000 fois moins que l’épaisseur d’un cheveu, mais aussi d’empiler des couches ultraminces de matériaux semiconducteurs perfectionnés pour améliorer la fonctionnalité de nos systèmes de télécommunications, entre autres choses.

Grâce à cette miniaturisation, nous pourrons également canaliser la puissance de la mécanique quantique, la branche de la physique qui nous a donné le laser, le transistor électronique et l’ordinateur portable.
 

Portrait de Karin Hinzer dans son laboratoire de photonique

Karin Hinzer dans le Solar Cells and Nanostructured Devices Laboratory (SUNLab), situé dans le Centre de recherche en photonique de l'Université d'Ottawa.

Quelles pourraient être les retombées de ces travaux? Comment pourraient-ils changer la vie des gens?

Les composants photoniques sont partout : télécommunications, cybersécurité, diagnostics et appareils médicaux, transport autonome, énergie, essais environnementaux… Ils sont essentiels à notre productivité et à notre qualité de vie!

La recherche que nous pourrons faire avec cet équipement aura de nombreuses applications. Portant sur la miniaturisation, elle contribuera à :

  • la disponibilité de l’information (satellite, fibre optique et télécommunication sans fil);
  • l’amélioration et l’accessibilité des soins de santé (tests rapides, diagnostics, traitements et implants);
  • la sécurité et l’efficacité des transports (véhicules autonomes équipés de systèmes de vision et de lidars);
  • la sécurité des communications et la cybersécurité (appareils et ordinateurs quantiques);
  • l’atténuation des changements climatiques (a réduction de l’empreinte carbone d’appareils et mise en œuvre de technologies carboneutres).

Nos travaux visent également à améliorer les procédés de fabrication de matériaux de photonique de pointe. L’innovation des matériaux et des techniques de fabrication nous permettra de générer et de manipuler la lumière de manière inédite. La commercialisation de ces fonctions avancées dépend essentiellement de la possibilité de fabriquer des composants à grande échelle pour réduire les coûts, ce qui repose principalement sur les procédés de fabrication. Ainsi, pour que ces technologies soient accessibles et abordables, il faut de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes.
 

Y a-t-il une application ou un secteur où vous avez particulièrement hâte de voir vos travaux de miniaturisation et d’intégration utilisés?

[KH] : J’ai hâte de pouvoir travailler sur la prochaine génération de technologies carboneutres à l’énergie photovoltaïque (la conversion de lumière en électricité avec des matériaux semiconducteurs) pour générer de l’électricité et de l’hydrogène vert.

[PB] : Je suis quant à moi emballé par la perspective d’intégrer des matériaux semiconducteurs à des nanostructures, un procédé qui pourrait mener à l’utilisation de technologies comme des nanolasers et des nanomodulateurs dans les télécommunications de prochaine génération ainsi que de minuscules biocapteurs implantables.
 



Voici d’autres membres de notre équipe à Ottawa : Hanan Anis, à la tête d’un programme emballant en biophotonique; Ksenia Dolgaleva, à la fine pointe de l’optique non linéaire aux ondes térahertz; Robert Boyd, titulaire de la Chaire d’excellence en recherche du Canada sur l’optique non linéaire quantique et chef de file mondial en optique non linéaire; Paul Corkum, fondateur de la science de l’attoseconde et directeur d’un des groupes les plus renommés en lasers ultrarapides; Pavel Cheben, chef de file mondial en photonique sur silicium et en nanophotonique sub-longueur d’onde; et Tony SpringThorpe, chef de file mondial en épitaxie III-V, concepteur et constructeur d’un des premiers systèmes de croissance épitaxiale au Canada.

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