Etude d'un système optique intégré en polymère pour application comme capteur environnemental

Patterning and characterization of polymer nanostructures for optical biosensing

• Auteur / Autrice : Miguel Diez
• Direction : Corinne Déjous
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance en 2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Frederique De fornel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Dejous, Franck Chollet, Veronique Bardinal, Raphael Kada Kribich, Vincent Raimbault, Simon Joly, Laurent Oyhenart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Chollet, Veronique Bardinal

Mots clés

Mots clés libres

Nanostructures

Polymère

Optique guidée

Nanoimpression

Biocapteur

Nanostructures

Polymer

Integrated optics

Nanoimprint lithography

Biosensor

Résumé

Les guides d'ondes optiques, les résonateurs en anneau et les coupleurs à réseau fabriqués à partir de polymères nanostructurés sont maintenant considérés comme des technologies prometteuses pour les systèmes de détection biophotoniques intégrés. De manière générale, la structuration des polymères à une échelle inférieure au micron nécessite l'utilisation d‘équipements très coûteux tels que la lithographie par faisceau d'électrons. De nos jours, la structuration directe et rapide de dispositifs polymères à indice de réfraction élevé sur CYTOP est réalisable et fournit des guides d’ondes symétriques en contact avec l'eau. De plus, la transparence des polymères rend ces dispositifs adaptés à un fonctionnement dans le visible, étant d'un intérêt majeur pour la biophotonique. Dans cette thèse, nous proposons deux axes de recherche: le processus de fabrication et de caractérisation de nanostructures polymères sub-longueur d'onde sur CYTOP ainsi qu’une démonstration théorique de l'utilisation de ces structures pour la micro-spectrométrie visible. Les nanostructures optiques proposées sont composées d’un résonateur optique avec des coupleurs de réseaux sub-longueur d'onde. Les périodes du réseau sont inférieures à 300nm de manière à coupler efficacement la lumière,sur un seul ordre de diffraction, dans des guides d'ondes monomodes de 350nm x 350nm. L'ensemble du dispositif est imprimé en une seule étape à l'aide d'une méthode de lithographie dite à empreinte douce (NanoImprintLithography) qui consiste à comprimer un tampon sur une couche de polymère. Le dispositif fabriqué présente une couche résiduelle minimale (<50 nm) obtenue grâce à une conception spécifiquedu tampon principal afin d'améliorer le flux de polymère lors de la phase de compression. Les différentes caractérisations effectuées, à la fois sur la couche de polymère et sur le dispositif imprimé, montrent un bon accord avec les valeurs prédites par simulation. Cependant, une caractérisation ellipsométrique rigoureuse du coefficient thermo-optique suggère différents mécanismes d'instabilité de ces dispositifs sous cyclage thermique. Les performances de ces dispositifs en tant que micro-spectromètres à absorption sont démontrées analytiquement et par simulation, quelle que soit la plate-forme ou la longueur d'onde d’utilisation. Finalement, outre la description du processus de fabrication, nous fournissons un ensemble de règles de conception basées sur l'optimisation théorique du résonateur en anneau pour la masure du coefficient d'absorption d’un liquide.

Optical waveguides, ring resonators and grating couplers based on polymer nanostructures are now considered as promising technologies for integrated biophotonic sensing systems. Commonly, the patterning of polymers at the sub-micron scale requires the use of time and cost-consuming equipments such as electron beam lithography. Direct patterning of high refractive index polymer devices on CYTOP is now achievable and provides symmetric waveguides with top water-like claddings. In addition, transparency of polymers makes them suitable for operation in the visible range, being of major interest for biophotonic applications. In this thesis, we report on two main topics: the fabrication process of sub-wavelength polymer nanostructures on CYTOP and the potential sensing capabilities of these structures as visible microspectrometers. The optical nanostructures consist in an optical microring resonator with sub-wavelength gratings to efficiently couple the light inside the photonic circuit. Periods shorter than 300nm are patterned to efficiently couple the input light into 350nm x 350nm waveguides allowing single-mode operation. The whole device is imprinted in a single step using soft imprint lithography called NanoImprint Lithography. We obtain a minimal residual layer (<50nm) which is achieved with a dedicated design of the master stamp to enhance the polymer flow during the pressure step. The different characterizations performed on both polymer layer and the imprinted device show good agreement with the predicted values by simulation. However, rigorous ellipsometry characterization of the thermo-optic coefficient suggest different instability mechanism of these devices under thermal cycling. The performance of these devices as absorption micro-spectrometers is demonstrated analytically regardless the platform or wavelength. Finally, in addition to the fabrication process we provide a set of design rules based on the theoretical optimization of the ring resonator for absorption sensing.