Topic description
Ce projet adresse des thématiques scientifiques liées à la spectrométrie intégrée on-chip, avec comme applications principales : a) La Spectrométrie haute résolution pour les applications environnementales : Monitoring de Gaz (CO2, CH4…in situ et embarquée) b) La métrologie Lasers Télécom (profils de raie d'émission, monitoring des réseaux télécom) et c) La mesure de contraintes par réflectométrie sur Fibres de Bragg. En spectrométrie, une multitude d'approches sont possibles : des réseaux dispersifs, des spectromètres à transformée de Fourier (FTS,) des réseaux de guides d'ondes (AWG). Les systèmes FTS mettent en œuvre des algorithmes d'étalonnage efficaces qui compensent la phase et les dégradations d'amplitude (plus de robustesse). Le FTS sur puce proposé ici repose sur le principe d'interférométrie d'onde stationnaire (SWIFTS). L'intérêt du SWIFTS est d'atteindre une très haute résolution spectrale grâce à un système compact, léger et de faible dimension (typ. <10cm x 5cm x 1cm, détecteur inclus). Dans un SWIFTS, on génère à l'intérieur même du guide d'onde, un interférogramme d'onde stationnaire produit par deux ondes contra-propagatives obtenues à travers la division du faisceau optique puis recombinées en utilisant une configuration en boucle (Mode Gabor). Ce motif d'interférence est alors diffracté vers le détecteur situé au-dessus du guide par un réseau de discontinuités diélectriques métalliques de tailles nanométriques, sans aucune pièce mobile. Ce projet constitue une approche innovante et s'inspire du SWIFTS Visible -nm qui a permis la création de la start-up Resolution Spectra Systems rachetée par Merck group, avec deux brevets UGA/CNRS, utilisant des guides d'onde par échange d'ions dans le verre. Ainsi, suite aux travaux de R&D proposés ici, le concept industriel est transposable dans le SWIR (-nm).
Cette thèse se situe dans la continuité des travaux menés dont une publication récente (Morand, Alain, et al. 'Innovative monolithic integrated optic SWIR SWIFTS without lens between unprotected InGaAs area image sensor and optical glass chip surface.' Optics Express 33.16 ), qui nous ont permis notamment de valider l'utilisation d'un réseau de nano-émetteurs directionnels (antennes) en surface du composant, équivalent à un mini-réseau de diffraction, pour réduire le cône d'émission et concentrer la totalité du flux diffracté vers un pixel unique du détecteur. Cela rend possible la mesure avec des détecteurs SWIR (qui n'ont pas les mêmes propriétés que les détecteurs visibles) sans optique de relais (amélioration de l'efficacité de détection, supprimant la diaphonie produite par le signal capté par les pixels adjacents).
La nouveauté de cette thèse est de :
a) proposer une nouvelle approche basée sur une configuration en boucle Gabor (faisceaux contrapropagatifs) et non pas en réflexion Lippmann (interférence entre l'onde et son reflet sur un miroir en bout de guide)
b) augmenter l'étendue spectrale (ou la sensibilité de l'instrument) en ajoutant du multiplexage spatial : Plusieurs guides en parallèle, pour échantillonner correctement le signal et optimiser l'utilisation des pixels du détecteur constitué d'une matrice 2D.
c) rendre opérationnel le spectromètre en utilisant des principes interférométriques simples pour transformer dans la puce optique des raies d'absorption (difficiles à distinguer dans un fond continu intense) en raies d'émission.
Ces trois aspects, notamment la reconstruction d'un spectre de haute résolution et de large étendue spectrale, grâce à un concept de boucle Gabor multiplex est une nouveauté qui n'a jamais été démontrée expérimentalement. De plus, l'intégration dans la même puce de l'étape de transformation du signal d'absorption en signal d'émission, devrait transformer radicalement la sensibilité du spectromètre intégré, rendant possible son utilisation dans des environnements autres que la caractérisation de lasers.
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This project addresses scientific themes linked to integrated on-chip spectrometry, with the following main applications: high-resolution spectrometry for environmental applications: gas monitoring (CO2, CH4... in situ and on-board) and telecom laser metrology (emission line profiles, telecom network monitoring). Optical spectrometry techniques have been used effectively for over a century in a multitude of fields. They are based on dispersive gratings, Fourier transform spectrometers (FTS,) or waveguide gratings (AWG). The on-chip FTS proposed here is based on the principle of standing-wave interferometry (SWIFTS). The advantage of SWIFTS is that it achieves very high spectral resolution in a compact, lightweight system of small dimensions (typically <10cm x 5cm x 1cm, including detector). In a SWIFTS, an interferogram produced by two counter-propagating waves obtained by splitting the optical beam and then recombining it using a loop configuration (Gabor mode) is generated inside the waveguide itself. This interference pattern is then diffracted towards
the detector above the waveguide by a network of nanometer-sized metallic discontinuities, with no moving parts. This project is inspired by SWIFTS Visible (Lippmann mode, interference by reflection on a mirror), which led to the creation of the start-up Resolution Spectra Systems (now acquired by Merck), with two UGA/Grenoble INP-UGA/CNRS patents, using ion-exchange waveguides in glass.
Constraints specific to the SWIR wavelength band (-nm) require the resolution of new problems, which are the subject of several research projects.
This thesis follows on from work carried out in previous theses, which validated the use of a directional nano-emitter array (antenna) on the surface of the component. Our recent work is retrievable in this paper ( (Morand, Alain, et al. 'Innovative monolithic integrated optic SWIR SWIFTS without lens between unprotected InGaAs area image sensor and optical glass chip surface.' Optics Express 33.16 ). This antenna is equivalent to a mini-diffraction grating that reduces the emission cone and concentrates the entire diffracted flux on a single pixel of the detector, making it possible to measure with SWIR detectors (which do not have the
same properties as visible detectors) without relay optics, thus improving detection efficiency by eliminating the crosstalk produced by the signal detected by neighbouring pixels.
The originality of this thesis is decomposed in different parts :
a) propose a new approach based on a Gabor loop configuration (contrapropagative beams) rather than a Lippmann reflection configuration (interference between the wave and its reflection on a mirror at the end of the guide). At the cost of a slightly more complex component, the Gabor configuration makes it possible to reduce the major shortcomings of Lippmann systems.
b) increase the spectral range (or sensitivity of the instrument) by applying a spatial multiplexing concept: several guides in parallel, to correctly sample the signal and optimize pixel utilization of the available 2D detector array.
c) make the spectrometer operational by using simple interferometric principles to transform absorption lines (difficult to distinguish in an intense continuum background) into apparent “emission lines” in the optical chip.
These three aspects, in particular the reconstruction of a high-resolution spectrum with a wide spectral range, thanks to a multiplex Gabor loop concept, have never been demonstrated experimentally, although conceptually without difficulty. What's more, integrating the transformation of an absorption spectrum into a similar “emission” spectrum on the same chip would radically transform the sensitivity of the integrated spectrometer, making it possible to use it in applications far more varied than laser characterization.
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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