Wide band integrated spectrometers

Résumé

La spectroscopie infrarouge proche (PIR) est une technologie puissante pour la détection de molécules. Elle permet d’identifier rapidement les composés. L’un des principaux problèmes de la détection PIR est que la plupart des équipements sont encombrants et se trouvent souvent en laboratoire. Jusqu'à présent, les systèmes miniaturisés sont confrontés à plusieurs limitations technologiques : faible consommation d'énergie, filtre optique adapté à une utilisation sur le terrain, fonctionnement du détecteur non refroidi à température élevée et utilisation d'un emballage approprié conférant une protection physique et chimique. En raison des limitations, les échantillons doivent être ramenés du terrain pour analyse. Il est souvent difficile d’examiner des échantillons présentant une détérioration rapide. Pour répondre aux limitations actuelles, des spectromètres miniaturisés utilisable sur le terrain sont proposés dans cette thèse. Cette thèse couvre la fabrication et la caractérisation de filtres, miroirs et détecteurs. Plus précisément, comme le filtre optique est le coeur d’un spectromètre, il bénéficie d’une plus grande attention dans ce travail. En particulier, les filtres interférométriques sont discutés. Les filtres interférométriques sont sans doute considérés comme supérieurs aux autres types de filtres. L’omniprésence des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) et de la photonique intégrée est sur le point d’avoir des impacts significatifs dans de nombreux domaines, notamment celui de la spectroscopie. Dans ce travail, nous nous efforçons de combiner l'optique intégrée avec les MEMS sur la même plate-forme pour créer de nouveaux systèmes sur puce (SoC). Les dispositifs SoC ciblés sont deux types différents de spectromètres qui peuvent couvrir une large bande de longueur d'onde et fournir une solution pour réduire les coûts en réduisant le nombre de photodétecteurs requis. Ce doctorat exploite les avantages obtenus en mariant ces deux technologies pour miniaturiser des spectromètres tout en tentant d'atteindre des performances de pointe. Certains avantages potentiels comprennent : des réductions de coûts améliorant l’accès aux spectromètres portables et une fabrication en grand volume grâce au traitement par lots. L'objectif de cette recherche est de concevoir avec des simulations et de mettre en oeuvre deux types différents de spectromètres. Le premier est un spectromètre optique basé sur un MEMS rotatif dans une configuration de monochromateur. Ce nouveau spectromètre à système micro-opto-mécanique intégré se compose d'un réseau concave fabriqué dans un guide d'onde plan qui est connecté à un actionneur électrostatique rotatif qui permet un réglage angulaire du réseau. Le spectromètre couvre une large plage de longueurs d'onde (> 100 nm), couvrant partiellement la bande E et entièrement les bandes S, C et L (1 416,6 nm - 1 696,6 nm), et nécessite un seul photodétecteur pour acquérir le spectre. Le spectromètre est conçu pour avoir de faibles pertes optiques sur toute la plage de mouvement. Le spectre peut être acquis à une fréquence de 1,76 kHz. Le spectre acquis simulé présente une perte d'insertion moyenne de -1,8 dB et une diaphonie supérieure à -70 dB avec une résolution aussi basse que 1,62 nm. L'ensemble du dispositif couvre une superficie de 4 mm x 4 mm et repose sur une épaisse plate-forme de silicium sur isolant. Le processus de fabrication du dispositif est développé avec un minimum d'étapes et un prototype du spectromètre comprenant la partie optique exclusivement est fabriqué. Le deuxième nouveau spectromètre optique intégré est capable de fonctionner sur quatre bandes optiques différentes dans l'infrarouge qui couvrent plus de 900 nm de bande passante agrégée. Le dispositif, appelé spectromètre optique intégré à quatre bandes (IOFBS), se compose d'un seul réseau concave plan avec 4 guides d'ondes d'entrée, chacun correspondant à une bande de longueur d'onde différente, et 39 canaux de sortie pouvant être implémentés sur une plate-forme en nitrure de silicium. Les guides d'ondes d'entrée (IWG) sont optimisés de sorte que le réseau d'échelle fonctionne dans différents ordres de diffraction pour créer une interférence constructive au niveau des guides d'ondes de sortie fixes. Les facettes du réseau sont conçues pour maximiser l'efficacité de diffraction du faisceau lancé depuis l'un des quatre IWG. L'IOFBS fonctionne dans l’infrarouge proche, la bande O, une partie des bandes S&E et la bande L. Les spectres simulés présentent une perte d'insertion moyenne de -1,69 dB sur les quatre bandes et une diaphonie inférieure à -32 dB avec une résolution de 3 dB aussi basse que 0,37 nm et un espacement des canaux d'environ 2,1 nm. L'ensemble de l'appareil couvre une superficie de 5 mm×4 mm. Ce travail a mené à des connaissances significatives sur les techniques de miniaturisation et la conception de composants pour réaliser des microsystèmes complexes pour des applications spectroscopiques et démontre des systèmes MEMS optiques hautement intégrés avec de nombreuses applications potentielles.

Date	18 juin 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Michaël Ménard (Directeur(-trice)) & Frédéric Nabki (Codirecteur(-trice))