Capteurs fibrés à base d'ondes de surface de Bloch

Bloch surface wave fiber sensors

• Auteur / Autrice : Clément Eustache
• Direction : Thierry Grosjean
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 23/07/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Aude L. Lereu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Sanchez, Nicolas Martin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antoine Moreau, Yves Jourlin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Nanophotonique

Mots clés libres

Nano-Optiques

Ondes de surface de Bloch

Fibres optique multicoeur

Lab-On-Fibers

Nano-Optics

Bloch surface waves

Multicore optical fiber

Lab-On-Fibers

Résumé

La détection et l'analyse de faibles quantités physiques, chimiques ou biologiques, in situ, dans des environnements difficiles d'accès, a un impact important dans de nombreux domaines scientifiques, médicaux et industriels. Même s'il est l'un des meilleurs éléments en termes de miniaturisation pour relever ce défi, le concept de ''Lab-on-tip'', cloisonné au cœur de la fibre, présente une résolution de détection restreinte. L'objectif de ma thèse est d'explorer une nouvelle génération de ''Lab-on-tip'' basée sur l'interconnexion optique, de différents cœurs d'une fibre multicœurs, ou deux fibres à cœurs uniques. Cette approche repose sur des plateformes nano-optiques à base d'ondes de surface de Bloch développées à l'extrémité de fibre. Les ondes de surface de Bloch sont des modes électromagnétiques évanescents se propageant sur des distances millimètriques à la surface d'un cristal photonique unidimensionnel. Ces ondes de surface sont utilisées à la fois pour interconnecter les cœurs de fibre et sonder leur environnement. Des réseaux de diffraction sublongueur d'ondes sont gravés au-dessus de chaque cœur afin de coupler les modes de fibre aux ondes de surface de Bloch. Nous avons développé deux plateformes nano-optiques à l'extrémité de fibres à quatre cœurs et une plateforme sur la facette d'une férule à deux fibres monomodes standard. Nous avons démontré un couplage cœur à cœur contrôlable par la polarisation de la lumière incidente, permettant la mise en œuvre de fonctions de détection agiles et de démultiplexage. Ces plateformes ont été testées comme réfractomètres pour la détection de composés organiques volatiles. Ces structures permettent d'entrevoir des capteurs où l'excitation lumineuse et les signaux de détection empruntent des canaux différents à travers la fibre optique, permettant un processus de détection simplifié et une optimisation du rapport signal-à-bruit. Ces micro-plateformes optiques intégrées sur fibre sont exploitables dans un large éventail d'applications incluant les capteurs, le piégeage et la manipulation optique et le traitement de l'information.

The in-situ detection and analysis of small physical, chemical, or biological quantities in hard-to-reach environments is significantly impacting numerous scientific, medical, and industrial fields. Despite being a leading miniaturized solution for this challenge, the ''Lab-on-tip'' concepts, usually confined at the fiber core, face limitations in detection resolution. My thesis aims to explore a new generation of ''Lab-on-tip'' systems, based on a core-to-core optical interconnection at the fiber tip, either between various cores of an individual multicore fiber or two standard single-core fibers. This innovative approach leverages nano-optical platforms based on Bloch surface waves. Bloch surface waves are evanescent electromagnetic modes that propagate over millimeter distances on the top surface of a one-dimensional photonic crystal. These waves ensure core-to-core optical interconnection and the probing of their environment. The fiber modes and the Bloch surface waves are coupled by milling subwavelength diffraction gratings above each core, on top of the photonic crystal. We have developed three nano-optical platforms: two at the end of four-core fibers and another on the end-face of a ferrule combining two standard single-mode fibers. Our experiments demonstrated core-to-core coupling that can be controlled by the polarization of the incident light, enabling agile detection and demultiplexing functions. These platforms have been tested as refractometers for detecting volatile organic compounds, showcasing their potential as sensors. Our fiber-integrated architectures allows for light excitation and detection signals to travel through different channels within optical fibers, simplifying the detection process and optimizing signal-to-noise ratio. These fiber-integrated nano-optical platforms hold promise for a wide array of applications, including sensing, optical trapping and manipulation, and information processing.