Lumisync, un mot-valise qui introduit des notions de lumière et de synchronisation… Voilà qui correspond bien au projet de la deeptech du même nom, logée au Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) et dont l’immatriculation est prévue cet été : le développement d’un nano-oscillateur 100% photonique, très économe d’un point de vue énergétique et opérant à plus de 10 GHz.
L’oscillateur est ce dispositif qui crée une oscillation à une fréquence fixe. Il devient ainsi une horloge à laquelle se réfère un microprocesseur pour le rafraîchissement des informations ou un système de télécommunications pour la synchronisation des échanges de données.
« Il y a des oscillateurs dans tous les smartphones par exemple. De façon générale, ils se distinguent par leur fréquence et leurs performances, à savoir leur stabilité dans le temps, selon la température, etc., commente Rémy Braive, maître de conférences à l’université Paris Cité/CNRS/C2N. Notre objectif n’est pas ce marché de masse mais celui du secteur aérospatial et des télécoms nécessitant des oscillateurs très performants et très chers. »
S'affranchir des conversions électronique/optique et vice-versa
Rémy Braive sera le directeur scientifique de Lumisync. Travaillant aussi au C2N, l’ingénieur de recherche Giuseppe Modica en sera le directeur technique. Ce sont les deux « cerveaux » scientifiques de la deeptech, dirigée par le néo-entrepreneur Alexis Jonville (dont le portrait est dressé ici). Leur technologie fait l’objet d’un brevet.
« Les oscillateurs actuels sont principalement des oscillateurs à quartz, électromécaniques (qui exploitent la piézoélectricité, ndlr), mais l’un des enjeux importants est de passer au tout-optique car les télécoms transitent par des fibres, pas par des câbles électriques, explique Rémy Braive pour situer le contexte. Une référence de temps dans le domaine optique s’affranchirait des conversions de l’électronique vers l’optique et vice-versa. Ainsi économise-t-on du temps et de l’énergie, tout en améliorant les performances. »
La fréquence naturelle d’un oscillateur à quartz s’établit autour de 10 MHz et peut être augmentée grâce à des étages de multiplication. A titre de comparaison, l’oscillateur photonique de Lumisync, dont un prototype est opérationnel en laboratoire (TRL 4), a déjà « vibré » naturellement à 12 GHz. « Et on vise 50 GHz dans les mois à venir », indique Giuseppe Modica.
Un coeur en cristal photonique
Parallèlement, d’après les deux chercheurs, la consommation énergétique est 1000 fois plus faible, de l’ordre de la centaine de microwatts au lieu du watt. Un tel oscillateur diffuse par ailleurs moins de chaleur, problématique cruciale dans le spatial, et se montre a priori immun aux interférences électromagnétiques.
Ces qualités sont dues à l’architecture de la technologie de Lumisync, que la thèse de Giuseppe Modica, soutenue fin 2021, qualifie d’oscillation opto-mécanique. Son cœur est constitué d’un cristal photonique 1D (ou unidimensionnel). Cette nanostructure périodique, fabriquée avec des semi-conducteurs III-V, est capable de confiner la lumière et joue le rôle de cavité résonante.
Dans le guide d’onde sous-jacent se propage un laser à 1,55 micromètre, la longueur d’onde usitée dans les télécoms. Par couplage évanescent, des photons apparaissent alors dans la cavité.
« La lumière induit une force de pression radiative à l’intérieur du système photonique et cette force va se relâcher de manière régulière, détaille Rémy Braive. Il se crée une oscillation. Comme les dimensions sont nanométriques, la fréquence de l’oscillation explose ! » Cette oscillation est ensuite appliquée à l’intensité du laser, en sortie de la cavité résonante.
Transporter l'horloge dans la fibre optique
Dans sa thèse, Giuseppe Modica illustre le phénomène avec un système classique, une cavité de Fabry-Perot dans laquelle un miroir est libre de bouger. La lumière confinée dans cette cavité va exercer une force sur le miroir amovible. Lequel, en se déplaçant, modifie la fréquence de résonance de la cavité. Faute de résonance, la pression de la lumière décroît et le miroir revient à sa position initiale. La résonance recommence, le cycle de l’oscillation est lancé.
Dans le système de Lumisync, l’oscillation est ensuite appliquée à l’intensité du laser. « On obtient un oscillation cohérente très pure pour la synchronisation d’un signal, qu’on peut distribuer », ajoute Rémy Braive. L’idée serait de véhiculer l’horloge directement dans la fibre optique. « Il n’y aurait plus besoin d’une horloge maîtresse qui distribue le signal de temps à plusieurs autres horloges, se réjouit-il. On changerait de paradigme. »
Le niveau de maturité technologique envisagé, d’ici à deux ans, est de 6/7. Fin 2026, les premières séries de l’oscillateur photonique de Lumisync pourraient alors être éprouvées dans l’industrie. « Nous devons nous assurer que notre procédé de fabrication est reproductible à l’échelle industrielle et que notre technologie répondre aux normes très strictes des secteurs d’activité que nous visons », conclut Alexis Jonville.
