Imagerie hyperspectrale basée sur un réseau 3D de circuits photoniques intégrés

Hyperspectral imaging based on a 3D array of photonic integrated circuits

• Auteur / Autrice : Alexis Tryoen
• Direction : Guillaume Druart, Matthieu Lancry
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Circuits photoniques intégrés

Imagerie hyperspectrale

Guides d'ondes

Inscription laser

Optique guidée

Photonic integrated circuits

Hyperspectral Imaging

Waveguides

Direct Laser Writing

Guided Optics

Résumé

- Les caméras hyperspectrales collectent et traitent l'information spectrale pour chaque pixel de leur champ de vue. De telles caméras permettent d'extraire plus d'informations sur la scène que les caméras traditionnelles. L'imagerie hyperspectrale a un large champ d'applications. Afin de pouvoir être largement utilisables, les caméras hyperspectrales du futur doivent être compactes et légères (considération dite « SWaP ») mais aussi robustes et stables tout en créant des images de haute qualité et en ayant des fonctions optiques avancées. La combinaison de tous ces paramètres dans le même dispositif reste, cependant, un véritable défi. - Afin de se rapprocher de cet objectif ultime, la solution que nous avons mise en place à l'ONERA en collaboration avec l'Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO) depuis quelques années consiste à utiliser un réseau de guides d'ondes (PIC) inscrits en 3D dans le volume d'une lame de verre. La première phase de ce projet consiste à concevoir et réaliser les composantes spectrales d'un futur imageur hyperspectral. La seconde phase, qui est l'objet de cette thèse, consiste à étudier comment coupler de la lumière de manière efficace dans un réseau dense de guides d'ondes 3D. Cette étape est cruciale pour réussir à obtenir un imageur hyperspectral à base de PICs. - La composante imagerie de l'imageur hyperspectral sera donc étudiée pleinement dans le cadre de cette nouvelle thèse. Il s'agira dans un premier temps d'étudier la meilleure disposition des guides d'ondes dans le plan focal d'une lentille (maillage non carré du réseau de guides d'ondes), en lien avec le MAP5 (Andrés Almansa) [3]. Ensuite, il faudra combiner ces guides d'ondes au réseau de Mach Zehnder pour associer les fonctions d'imagerie et de spectroscopie. L'étude du système complet « imageur hyperspectral » est prévue dans le cadre de cette thèse, tant d'un point de vue théorique, numérique qu'expérimental par la réalisation d'une preuve de concept. - La conception d'imageurs hyperspectraux est maitrisée à l'ONERA [1] ; la texturation laser de fonctions optiques est maîtrisée à l'ICMMO [4-5] ; la réalisation de guides d'ondes pour la spectroscopie est maîtrisée par la communauté internationale cependant, la combinaison des trois (PIC 3D comme élément central d'un imageur hyperspectral) n'a jamais été effectuée et elle est l'objectif générale de cette thèse.

- Hyperspectral cameras collect and process spectral information for every pixel in their field of view. Such cameras can extract more information about the scene than traditional cameras. Hyperspectral imaging has a wide range of applications. In order to be widely usable, the hyperspectral cameras of the future must be compact and lightweight (the so-called 'SWaP' consideration), but also robust and stable, while creating high-quality images and having advanced optical functions. Combining all these parameters in the same device remains, however, a real challenge. - In order to get closer to this ultimate goal, the solution we have been implementing at ONERA in collaboration with the Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO) for several years now consists of using a waveguide array (PIC) inscribed in 3D in the volume of a glass slide. The first phase of this project consists in designing and building the spectral components of a future hyperspectral imager. The second phase, which is the subject of this thesis, involves studying how to couple light efficiently into a dense array of 3D waveguides. This step is crucial to the success of a PIC-based hyperspectral imaging system. - The imaging component of the hyperspectral imager will therefore be fully investigated in this new thesis. The first step will be to study the best arrangement of waveguides in the focal plane of a lens (non-square meshing of the waveguide array). These waveguides will then have to be combined with the Mach Zehnder grating to combine imaging and spectroscopy functions. The complete hyperspectral imaging system will be studied in this thesis, from a theoretical, numerical and experimental points of view, and a proof-of-concept will be developed. - The design of hyperspectral imaging systems is mastered at ONERA [1]; the laser texturing of optical functions is mastered at ICMMO [4-5]; and the production of waveguides for spectroscopy is mastered by the international community. However, the combination of all three (3D PIC as the central element of a hyperspectral imaging systems) has never been carried out, and is the general objective of this thesis.