Nouvelles architectures photoniques pour capteurs de gaz infrarouge intégrés sur silicium

New photonic architectures for mid-infrared gaz sensors integrated on silicon

• Auteur / Autrice : Ainur Koshkinbayeva
• Direction : Régis Orobtchouk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nano-électronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 10/03/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Ségolène Callard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Orobtchouk, Ségolène Callard, Jean-Emmanuel Broquin, Laurent Vivien, Pierre Labeye, Eric Tournie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Emmanuel Broquin, Laurent Vivien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs optiques

Mots clés libres

Electronique

Architecture photonique

Capteur de gaz infrarouge

Capteur sur puce

Multiplexeur

AWG - Arrayed waveguide grating

PCG - Planar concave grating

FTIR (Fourier-Transform infrared spectroscopy) Characterization

Moyen infrarouge

Source large bande

Electronics

Photonic architecture

Infrared gas sensors

Sensors on silicon

Multiplexer

Mid-Infrared

Broudband source

Gas sensor integrated on a chip

AWG - Arrayed waveguide grating

PCG - Planar concave grating

FTIR (Fourier-Transform infrared spectroscopy) Characterization

Résumé

Les travaux portent sur les multiplexeurs optiques fonctionnant à mi-IR pour la source à large bande dans l'application de détection de gaz. Deux configurations ont été étudiées: réseau de guides d'onde (AWG) et réseau concave planaire (PCG). Premièrement, le principe du fonctionnement a été compris afin de développer une solution analytique pour le champ de sortie en utilisant une approximation gaussienne du champ et de l'optique de Fourier. Ensuite, un outil de simulation semi-analytique de la réponse spectrale pour les deux configurations de multiplexeur a été développé dans MATLAB. La distribution normale des erreurs de phase a été introduite dans le modèle semi-analytique AWG, ce qui nous a permis d'étudier la corrélation entre l'écart-type des erreurs de phase et le niveau de diaphonie de la réponse spectrale AWG. AWG à 5,65 μm a été fabriqué à partir de la technologie SiGe / Si à l'aide de l'outil MATLAB pour le calcul des paramètres de conception et de l'outil P.Labeye pour le calcul de la géométrie AWG. Les dispositifs avec des paramètres légèrement variables ont été caractérisés: AWG1 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 9 μm; AWG2 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 11 μm; AWG3 avec guides d'ondes de 4,8 μm et MMI de 9 μm. Des mesures des dispositifs sur la puce 36 (centre de la plaquette) et sur la puce 32 (côté de la plaquette) ont été effectuées et analysées. Les mesures de température de AWG2 et AWG3 (puce 32 et puce 36) aux points cinq points de température ont montré une dépendance linéaire du déplacement spectral avec la température qui a une bonne corrélation avec les prédictions de simulation.

The work focuses on optical multiplexers operating in mid-IR for broadband source in gas sensing application. Two configurations were studies – arrayed waveguide grating (AWG) and planar concave grating (PCG). First, principle of operation was understood in order to develop analytical solution for output field using Gaussian approximation of the field and Fourier Optics. Then, semi-analytical simulation tool of the spectral response for both multiplexer configurations was developed in MATLAB. Normal distribution of phase errors was introduced to semi-analytical AWG model, which allowed us to study the correlation between standard deviation of phase errors and the level of crosstalk of AWG spectral response. AWG at 5.65 µm was fabricated based on SiGe/Si technology using the MATLAB tool for design parameters calculation and P.Labeye’s tool for AWG geometry calculation. Devices with slightly varying parameters were characterized: AWG1 with 4.6 µm waveguides and 9µm MMI; AWG2 with 4.6 µm waveguides and 11µm MMI; AWG3 with 4.8 µm waveguides and 9µm MMI. Measurements of devices on chip 36 (center of the wafer) and chip 32 (side of the wafer) were performed and analyzed. Temperature measurements of AWG2 and AWG3 (chip 32 and chip 36) at points five temperature points showed linear dependence of spectral shift with the temperature which has a good correlation with simulation predictions.