Réseaux à longue période en photonique intégrée pour la réfractométrie et la détection de gaz

Integrated long period waveguide gratings for refractometric and gas sensing applications

• Auteur / Autrice : Clément Deleau
• Direction : Olivier Bernal, Han Cheng Seat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et système optoélectronique
• Date : Soutenance le 06/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Wilfried Patrick Uhring
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Bernal, Han Cheng Seat, Wilfried Patrick Uhring, Nicolas Le Thomas, Joël Charrier, Maria-Pilar Bernal-Artajona, Quentin Wilmart, Valérie Chavagnac
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Le Thomas, Joël Charrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs optiques

Circuits intégrés photoniques

Mots clés libres

Réseaux à longue période

Photonique intégrée

Réfractométrie

Détection de gaz

Théorie des modes couplés

Capteurs chimique optiques

Long Period Gratings

Integrated photonics

Refractometry

Gas sensing

Coupled Mode Theory

Optical Chemical Sensors

Résumé

Depuis plus d'une vingtaine d'année, la photonique intégrée est devenu un domaine de recherche très actif pour le développement de capteurs intégrés à hautes performances. Les capteurs chimiques intégrés, et en particulier ceux dédiés à la détection de gaz, font inexorablement l'objet d'une investigation poussée pour des raisons de santé publique ainsi que pour un grand nombre d'applications industrielles. Un problème majeur lié à la grande diversité des systèmes de capteurs proposés par la communauté scientifique survient toutefois: comment analyser les différentes architectures de façon précise et ainsi pouvoir les comparer? Dans un premier temps, cette thèse propose un modèle de classification pour les capteurs chimiques optiques, suivi d'une revue des architectures de photonique intégrée dédiées à la détection de gaz. Ensuite sont détaillés les modèles théoriques, la conception et le travail expérimental qui ont été effectués dans cette thèse pour la réalisation de capteurs réfractométriques intégrés sur silicium. En particulier, un type spécifique de structure réfractométrique semble être mis en avant par ce travail d'analyse de l'état de l'art, et a par conséquent été développé de façon plus approfondi; il s'agit des réseaux intégrés à longue période. Un modèle détaillé du mécanisme de couplage optique mis en jeux par les réseaux à longue période est par la suite développé. Ce modèle est basé sur la théorie des modes couplés pour laquelle une approche perturbatoire est employée pour analyser les propriétés réfractométriques de ces structures. En utilisant le modèle proposé, plusieurs versions de réseaux à longue période intégrés sont conçus, simulés, puis optimisés. C'est en contrôlant les superpositions de champs optiques au niveau des guides d'ondes ainsi que les propriétés dispersives des modes optiques qu'il est possible d'obtenir de hautes sensibilités de détection ainsi que des réponses spectrales adéquates. Ces réseaux intégrés à longue période ont ensuite été fabriqués à partir d'un procédé technologique de nitrure de silicium spécialement développé dans la salle blanche du LAAS. Puis ils ont été testés sur une station de charactérisation optique conçue dans cette thèse. Des sensibilités réfractométriques aussi hautes que 11,500 nm/RIU ont été expérimentalement obtenues et sont stables sur une large bande spectrale de 100 nm centrée sur 1550 nm, le tout avec une faible diaphonie en température de 0.15 nm/°C. De plus, en s'appuyant sur le modèle proposé, d'autres versions de réseaux à longue période intégrés démontrent via simulation la possibilité d'atteindre des sensibilités d'au moins 300,000 nm/RIU, sensiblités pour lesquelles les limites liées à la fabrications et à l'expérimentation sont abordées. Finalement, une structure de réseaux intégrés à longue période est employée pour la détection de CO2 en utilisant un film en polymère poreux: le PolyHexaMethylene Biguanide. En plus du très fort potentiel des réseaux intégrés à longue période qui a été démontré dans cette thèse avec les modèles proposés et à travers les résultats obtenus, nous pensons également que le travail détaillé ici pourrait également servir à la réalisation de capteurs encore plus performants, et potentiellement permettre l'émergence de nouvelles applications.

Over the past two decades, integrated photonics have become a domain of intense research for the development of high-performance embedded sensors. Integrated chemical sensor structures, and especially those dedicated to gas monitoring, are inexorably being under acute investigation for healthcare concerns as well as industrial applications. A major issue arising from the large variety of sensor architectures that have been developed to date is : how to accurately analyze these sensing systems and compare them? Firstly, this PhD dissertation proposes a classification framework for optical-chemical sensors, followed by a review of integrated optical gas sensing architectures. Secondly, this thesis details the models, designs and experimental work that have been carried out in the realization of integrated refractometric sensors. In particular, a specific type of refractometric structure is shown to stand out from the presented analytical framework, and was subsequently subject to more in-depth development more in-depth: the Long Period Waveguide Grating (LPWG). A comprehensive model of LPWG mode coupling mechanisms is subsequently detailed, based on Coupled-Mode-Theory, for which a perturbation approach was used to analyze the sensing properties of these structures. By using the proposed model, several versions of the structure were then designed, simulated and optimized to present adequate spectral shape and sensitivities by using field superposition enhancement and chromatic dispersion tailoring techniques, before being eventually fabricated in the laboratory's clean-room facility using a silicon nitride photonic integrated circuit technology that was also developed in this PhD thesis. The fabricated LPWG structures were next tested on a dedicated photonic characterization optical probe station, demonstrating exceptionally high refractometric sensitivities reaching a stable value of 11,500 nm/RIU over a wide spectral range of at least 100 nm, with a temperature cross-talk as low as 0.15 nm/°C. Additionally, based on the proposed model, a novel LPWG design is numerically developed to demonstrate the possibility of implementing LPWGs with sensitivities higher than 300,000 nm/RIU, by also taking into account and discussing the manufacturing and experimental limits of the proposed structures. Ultimately, a fabricated LPWG was employed for CO2 gas sensing by using a polyhexamethylene biguanide porous polymer coating, thereby illustrating a practical application of the LPWG. While the huge potential of LPWGs for sensing applications is revealed in the proposed models and reported results, we further believe that the work detailed in this PhD thesis could also be utilized for the realization of even more powerful sensors, and possibly unlock new sensing applications.