Pose de la 1ère pierre de l’extension de l’IEMN

 Article paru dans Nord Eclair le 12 juin 2014

Ingénierie des matériaux artificiels électromagnétiques : cristaux photoniques et métamatériaux

Article paru dans le magazine Photoniques – Numéro 69, Janvier-Février 2014

 

 

 

 


Didier Lippens – IEMN Université de Lille 1

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Résumé

Le développement des techniques de micro-structuration des matériaux diélectriques et des composés métalliques permet actuellement un contrôle sans précédent de l’interaction des ondes électromagnétiques avec les matériaux artificiels. Nous illustrons ici l’ingénierie de telles structures de synthèse, capables de contrôler finement en module et en phase les grandeurs caractérisant la propagation et le rayonnement des ondes électromagnétiques. Ces structures permettent également d’introduire de nouveaux degrés de liberté dans les processus de réfraction, diffraction, collimation ou tout simplement de courbure des rayons par le biais de deux technologies clés : les cristaux photoniques et les métamatériaux. Plusieurs exemples relatifs à ces deux technologies sont présentés avec l’optimisation des performances de composants ultra-compacts en optique intégrée déjà développés par l’industrie et la proposition de nouvelles fonctionnalités telle que la réalisation de composants d’invisibilité au stade de recherches sur l’optique de transformation.

 

© EDP Sciences, 2014

Après le WIFI, bientôt le TIFI

_______Voir l’article complet paru dans le magazine J’innove

Des chercheurs lillois participent actuellement à la construction des réseaux de télécommunication du futur et imaginent pouvoir multiplier par 100 à 1000 le débit du WIFI d’ici 2025 !

« La technologie pourrait s’appeler TIFI, en référence aux térahertz et au WIFI », s’entousiasme Guillaume Ducournau, chercheur à l’IEMN et coordinateur du projet Com’TONIQ au sein de l’Université Lille 1 et de l’IEMN. Alors que la technologie sans fil actuelle utilise des fréquences inférieures à 10 GHz, limitant le débit, les chercheurs vont créer les composants pour les très hautes fréquences, pour des transmissions ultrarapides.

 

 

Coherent terahertz

  L’IEMN et l’université d’OSAKA ont démontré une transmission térahertz cohérente ultra-sensible. A la fréquence 200 GHz, 10 Gbit/s ont été transférés avec une puissance inférieure à 2 µW. Cette étape importante vers les transmissions THz cohérentes a été réalisée dans le cadre de l’ANR franco-japonaise « WITH », dans laquelle l’IEMN a été en charge avec l’université d’OSAKA (Groupe de T. Nagatsuma) de la réalisation des systèmes de transmission THz.  

Coherent THz communication at 200 GHz using a frequency comb, UTC-PD and electronic detection

Source: Electronics Letters, Volume 50, Issue 5, 27 February 2014, p. 386 – 388

Author(s): G. Ducournau 1 ; Y. Yoshimizu 2 ; S. Hisatake 2 ; F. Pavanello 1 ; E. Peytavit 1 ; M. Zaknoune 1 ; T. Nagatsuma 2 ; J.-F. Lampin 1

A combined research effort in France and Japan has produced a real-time photonic-based 10 GBit/s terahertz link with shown long term performance and an ultra-low power requirement at the receiver, using a coherent detection scheme.

Laws and limits

It has been observed that the current demand for greater bandwidth to provide new services like video streaming on mobile devices is driving an increase in available data rates in a predictable pattern – Edholm’s law of bandwidth. Like Moore’s law for transistor counts on integrated circuits, Edholm’s law observed that telecommunication data rates have doubled every 18 months, and predicts that they will continue to do so.

The currently used radio bands are heavily allocated, data rate limited and near saturation. One of the avenues of research that is being explored to address this problem is terahertz communication. The challenges of working in the THz regime are balanced by the massive potential to unlock very high data rates for end-users in a large new carrier frequency space for wireless communications.

 

The transmitter (inset) and the receiver of the system.

Fresh pastures

Most THz communication systems use Schottky-based direct detection to produce error-free and effective transmission systems. However, a current limitation with such systems that bars them from everyday application is that the link budgets (the losses between emission and detection) are strongly limited by the currently available emitter and receiver circuit technologies.

Using coherent detection, where the receiver is phase locked to the carrier wave, can drastically reduce the minimum power required to establish and maintain an effective wireless link. This is because it reduces the required number of photons per bit of transmitted data. This, of course, reduces pressure on the link budget requirements and could open up real-world applications of Thz communication. The main challenge with coherent schemes is the need for good synchronisation between the emitter and receiver.

Several research groups around the world have reported impressive results in THz communications but the key issue that remains in achieving robust THz links is obtaining long term error-free performance, which is required for real-time applications like video streaming.

An enduring link

In their Letter, the combined team from Université Lille1/CNRS and Osaka University report the first realisation of a real-time 10 Gbit/s wireless link at 200 GHz using a photonics-based source, with ultra-low required power at reception. They have demonstrated long term performance without the use of signal processing.

An eye diagram of a 10 Gbit/s signal sent and received using the system.

“The achievement of a real-time and robust coherent wireless link using a photonics-based optical source above 120 GHz is a key point in demonstrating that photonics-based THz generation is effective for THz links,” said team member Dr Guillaume Ducournau. “Our achievement relies on the combination of a very stable photonics frequency comb at emission, an efficient THz emitter (a unitravelling carrier photodiode) and a very high sensitivity coherent receiver.”

Pocket Terahertz

The authors are now working on increasing the data-rates achievable with their system by using other carrier frequencies. The researchers responsible for the work come from THz Photonics Group of the Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) at Université Lille1/CNRS and the Graduate School of Engineering Science at Osaka University. The Lille group’s main interests are in THz sources using photomixing techniques at 1.55 and 0.8 µm and the application of these to wireless data links, THz instrumentation for imaging and THz near-field and nonreciprocity.

Looking to the next decade in this area, Dr Ducournau sees the potential for this kind of technology to move toward ubiquity. “The realisation of THz communications may rely on stable, robust THz emission chips, including power amplifiers at emission and low noise amplifiers at reception. Solid-state electronics are going higher and higher, and in the next decade all the building blocks of traditional communications at Wi-Fi frequencies will be available, leading to ultra-fast connections in the end-user’s pocket.”

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Des puces tout en souplesse

Article paru dans le numéro 13 de la revue J’innove en Nord-Pas de Calais

Labellisé Equipex, le projet LEAF rassemble l’IEMN de Villeneuve d’Ascq et le LAAS de Toulouse pour rendre les puces électroniques à la fois flexibles et performantes, avec un vaste potentiel d’applications à la clé.

Pour que le téléphone portable de demain puisse s’enrouler sur lui-même comme une feuille de papier, la puce électronique qu’il contient doit pouvoir faire preuve de souplesse – au sens propre – mais sans perdre de sa puissance. C’est cette équation que cherche à résoudre le projet LEAF*, lauréat de l’appel à projet Equipex et porté par l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) sous la tutelle du CNRS, de l’Université de Lille1, de l’ISEN, de l’Université de Valenciennes et son partenaire toulousain, le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS) rattaché au CNRS.

Un marché important

L’électronique flexible, c’est un marché potentiel de plusieurs milliards de dollars selon le consortium ITRS, qui rassemble les producteurs de semi-conducteurs de la planète. Pour Emmanuel Dubois, qui coordonne LEAF, la recherche s’oriente sur deux segments : permettre à l’électronique flexible d’atteindre les performances de l’électronique rigide – alors qu’elles sont aujourd’hui 100 à 1 000 fois moindres – et rassembler plusieurs éléments d’électronique flexible sur un même support pour en faire des objets plus complexes. Des capteurs sans fils à l’implant rétinien en passant par les objets de la vie courante, les domaines d’applications sont presque infinis.

Doté de 2,6 millions d’euros, l’Equipex LEAF se traduit à l’IEMN par un équipement de structuration laser à impulsion picosecondes qui permet de travailler sur un substrat plastique de l’épaisseur d’un sachet d’emballage sans le chauffer. De cette manière, plusieurs éléments électroniques (capteur, batterie, transmetteur, etc.) peuvent être assemblés pour devenir un objet mobile communicant. Le tout de la taille d’un timbre poste. Impressionnant, non ?

*LEAF : Plateforme de traitement laser pour l’électronique flexible multifonctionnelle. Projet Investissements d’avenir portant la référence ANR-11-EQPX-0025

Contact : Emmanuel Dubois, emmanuel.dubois@isen.iemn.univ-lille1.fr

La mine d’or du crayon

Article paru dans le numéro 13 de la revue J’innove en Nord-Pas de Calais

Avec un budget d’1 milliard d’euros sur dix ans, le projet européen Graphène peut révolutionner l’innovation dans de nombreux domaines, en exploitant le potentiel du nanomatériau dont il porte le nom.

L'IEMN dispose d'un bâti de croissance du graphène, ici utilisé par deux de ses chercheurs, Henri Happy (à gauche) et Dominique Vignaud (à droite).

1 milliard d’euros sur dix ans : le chiffre est élevé mais il est à la hauteur des ambitions du projet Graphène, sélectionné début 2013 par l’Europe pour bénéficier de cette dotation sans précédent, en tant que Future and Emerging Technologies (FET) Flagship (initiative phare pour les technologies émergentes du futur). Découvert en 2004 à partir de l’effeuillage du graphite (le matériau des mines de crayon à papier), le graphène correspond à une couche atomique de carbone. A la fois résistant, flexible et excellent conducteur, ce nanomatériau ouvre la possibilité à de nombreuses innovations. « Avec le graphène, on peut imaginer installer des circuits électroniques sur n’importe quelle surface : papier, tissu, plastique, etc. »explique Henri Happy, professeur à l’Institut d’Electronique, de Microtechnique et de Nanotechnologie (IEMN) rattaché au CNRS, à l’université Lille 1, à l’ISEN et à l’université de Valenciennes. Des applications sont aussi possibles dans l’aéronautique (pour construire des avions plus légers et plus résistants) ou dans le domaine médical (pour la mise au point de rétines artificielles).

 

La France en tête

Autant d’opportunités expliquent l’engouement de l’Union européenne pour le projet Graphène, qui réunit 74 partenaires académiques et industriels issus de 17 pays et dont l’objectif est de concrétiser le potentiel de ce nanomatériau exceptionnel. Bénéficiaire de 13,6 % du budget, la France est le premier pays impliqué dans le projet. Dans la région, il associe l’IEMN qui travaillera sur le développement de circuits électroniques souples. Selon Henri Happy, au-delà des avancées qu’il apportera, le projet Graphène est aussi une occasion à ne pas manquer pour le Nord-Pas de Calais : celle de renforcer sa position de pôle technologique, capable de s’imposer dans les projets européens de recherche.

Contact : Henri Happy, henri.happy@iemn.univ-lille1.fr

Une expérience spatiale pour mieux comprendre la solidification des alliages métalliques

Les expériences spatiales apportent une troisième dimension à la science de la solidification
Article parru dans la revue Physical Review Letters

 

Réseau cellulaire oscillant : observation en vue de dessus de l’interface solide-liquide (Expériences en microgravité dans le DECLIC-DSI / Alliage transparent modèle des alliages métalliques). Sur l’ensemble du réseau, les oscillations sont incohérentes mais dans des zones localement ordonnées, comme par exemple dans la zone encadrée où le réseau est hexagonal, des sous-réseaux oscillants présentant des relations de phase particulières apparaissent.

Les alliages métalliques dits de structure sont utilisés dans de nombreuses applications comme le génie civil ou les industries du transport. Les propriétés, en particulier mécaniques, de ces matériaux résultent des microstructures obtenues au cours de la solidification. Maîtriser le développement de la microstructure est donc essentiel pour obtenir des matériaux aux propriétés spécifiques. En outre, la solidification est un système modèle pour la formation de structures et leur organisation en réseaux, générique en physique des phénomènes hors équilibre. L’instabilité de l’interface solide-liquide en solidification dirigée d’alliages conduit au développement d’un réseau de cellules, alignées sur la direction de croissance, et de taille caractéristique de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de microns. L’étude de la formation de ces réseaux sur terre dans des configurations tridimensionnelles est rendue difficile par la présence de convection dans le liquide qui transporte les éléments d’alliages et crée des inhomogénéités de concentration macroscopiques.

 

Dans le cadre d’un projet conjoint CNES-NASA (projet  DECLIC-DSI)*, un dispositif permettant d’observer in situ et en temps réel la formation des microstructures de solidification dans un échantillon de grandes dimensions a été réalisé par le CNES et installé dans la Station Spatiale Internationale pour éliminer les perturbations liées à la convection. Le projet DECLIC-DSI est le fruit d’une collaboration scientifique entre des chercheurs del’IM2NP (UMR CNRS 7334, Université d’Aix-Marseille), de Northeastern University (Boston) et de Iowa State University (Ames).

 

Dans un article récent de la revue Physical Review Letters, ces physiciens mettent en lumière une structure cellulaire présentant une dynamique oscillante de type “respiratoire” : les cellules se dilatent et se rétractent périodiquement. Ces oscillations ne sont généralement pas corrélées d’une cellule à l’autre du fait du désordre intrinsèque du réseau. Il arrive cependant que plusieurs cellules s’ordonnent localement pour former un réseau régulier et leurs oscillations s’organisent alors, comme par exemple sur le réseau hexagonal où trois sous-réseaux oscillent avec un déphasage de 120 degrés (cf. figure). A un instant donné, les cellules du sous-réseau le plus avancé inhibent les autres, mais les rôles s’inversent périodiquement. Ces résultats révèlent une forte interaction entre la structure du réseau et sa dynamique.

 

D’un point de vue plus général, les mécanismes de croissance de base identifiés ici peuvent être pertinents pour comprendre un large éventail de structures périodiques dans des systèmes extrêmement variés de la physique ou de la biologie. Par exemple, l’expression de trois gènes couplés s’inhibant mutuellement donne lieu à une oscillation similaire, ce qui est une illustration de l’universalité de la dynamique des systèmes non-linéaires.

* ce projet bénéficie du soutien de la Région PACA

 


En savoir plus :

Spatiotemporal Dynamics of Oscillatory Cellular Patterns in Three-Dimensional Directional Solidification. N.Bergeon, D.Tourret, L.Chen, J.M.Debierre,R.Guérin, A.Ramirez, B.Billia, A.Karma and R.Trivedi, Physical Review Letters (mai 2013)
Contact chercheur :

Nathalie Bergeon, Enseignant-chercheur, Maître de conférences Aix-Marseille Universiténathalie.bergeon@im2np.fr
Informations complémentaires :

  • Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence (Im2np) | CNRS | Aix-Marseille Université | Université du Sud Toulon Var
  • Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on ComplexSystems, NortheasternUniversity, Boston, Massachusetts, USA
  • Department of Materials Science and Engineering, Iowa State University, Ames, Iowa, USA
  • DECLIC à l’Im2np : www.im2np.fr/recherche/mca/DECLIC/index.html

En savoir plus sur le Projet DECLIC au CNES : Bernard Zappoli, Responsable des programmes de sciences de la matière, CNES bernard.zappoli@cnes.fr


 

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