Dans cette première partie, les dé…nitions relatives à la mise au point de biocapteurs issus de la technologie des réseaux de Bragg en angle …brés ont été données. Du principe de fonctionnement des transducteurs à …bres optiques aux méthodes de biofonctionnalisation garantissant la sélectivité des biocapteurs, en passant par la description d’un certain nombre de technologies de biocapteurs, cette revue bibliographique permet d’aborder la seconde partie de ce manuscrit, consacrée à la description des stratégies adoptées pour la mise en œuvre pratique de biocapteurs à …bres optiques fondés sur la technologie des réseaux de Bragg en angle fonctionnalisés.
Méthodologie développée
Matériels et méthodes de détection
Lors des di¤érentes étapes de réalisation et de test des biocapteurs fondés sur la technologie des réseaux de Bragg à traits inclinés, les caractéristiques de la réponse spectrale en transmis- sion du réseau sont analysées en temps réel. La même instrumentation est également utilisée pour le suivi en temps réel des cinétiques d’inscription de réseaux ce Bragg en angle. Cette méthode d’inscription sera détaillée en deuxième partie de ce chapitre. Il a déjà été démontré qu’un réseau de Bragg à traits inclinés inscrit dans le cœur d’une …bre monomode peut être utilisé comme transducteur pour la mesure de l’indice de réfraction du milieu entourant la gaine optique [La¤ont 2001c]. Cette propriété, qui résulte du couplage du mode guidé vers les modes de gaine et le continuum de modes radiatifs, les rend également intéressants pour la détection du gre¤age ou de la désorption de molécules en surface de la gaine optique et donc la réalisation de biocapteurs. Une méthode originale d’analyse numérique, permettant un traitement rapide et en temps réel des données, sera présentée en dernière partie de ce chapitre.
5.1
Mesures spectrales
5.1.1 Description du montage
Chaque étape de biofonctionnalisation ou de détection est suivie en temps réel au moyen d’un système d’analyse capable de détecter les variations de réponse spectrale en transmission, induites par le gre¤age (ou la désorption) de molécules sur la surface d’un réseau de Bragg à traits inclinés. Les spectres de transmission du réseau de Bragg en angle sont enregistrés sur la bande spectrale [1490 nm ; 1590 nm] avec une cadence d’acquisition d’un spectre toutes les cinq secondes.
Pour ce faire, le système de mesure se compose d’une source accordable connectée sur l’entrée de la …bre à réseau de Bragg et d’un détecteur qui mesure le signal en sortie de la …bre. L’utilisation d’un coupleur permet d’envoyer le signal issu de la source sur un second détec- teur. L’acquisition d’un spectre de référence acquis grâce à un second détecteur est destinée à
la normalisation de la réponse spectrale en transmission du réseau. Source et détecteurs sont reliés à un ordinateur qui assure le balayage sur la plage spectrale d’intérêt et l’acquisition des spectres de mesure et de référence (cf. …g. 5.1). En temps que source accordable, nous avons utilisé une diode laser à cavité externe et comme détecteurs, des photodiodes InGaAs.
cuve de fonctionnalisation réseau à traits inclinés spectres acquis toutes les 5 s coupleur source accordable 1490 nm – 1590 nm pilotage données photodétecteurs InGaAs réf. mesure
Indice effectif des modes de gaine
0.3 5 0.4 5 0.5 5 0.6 5 0.7 5 0.8 5 0.9 5 149 0 151 0 153 0 155 0 157 0 159 0 longueur d'onde (nm) Transmissio n 1.4 2 1.3 3 1.2 0
Figure 5.1: Schéma de principe du système d’analyse spectrale en transmission.
5.1.2 Principe de fonctionnement de la source accordable
La mesure consiste à balayer une large plage de longueurs d’onde au moyen d’une raie d’émission laser très …ne spectralement. Aussi la source accordable, de modèle Tunics-PR et de marque Photonetics1, consiste-t-elle en une diode laser couplée à un réseau de di¤raction permettant de sélectionner un mode de la cavité laser. Cette dernière est composée d’une lentille de collimation, du réseau et d’un dièdre ré‡ecteur. L’introduction du dièdre ré‡ecteur dans la cavité (con…guration Littman-Metcalf) permet la conservation du rapport longueur de cavité Lc sur longueur d’onde émise lors du balayage du spectre, obtenu par la rotation du dièdre autour du point A (cf. …g. 5.2).
La cavité optique est associée à un ensemble de modes de résonance fréquentiellement espacés de c
2Lc
où c désigne la vitesse de la lumière. Le réseau de di¤raction permet de sélectionner l’un de ces modes de résonance. Cette con…guration de cavité permet théoriquement une accordabilité continue (exempte de sauts de modes) de la longueur d’onde d’émission sur une large plage.
1
A réseau de diffraction dièdre réflecteur lentille de collimation diode laser émission laser
Figure 5.2: Schéma de principe de la cavité laser d’un source accordable spectralement (con…guration Littman-Metcalf).
5.1.3 Caractéristiques du montage
La source permet d’accorder la longueur d’onde d’émission sur une plage allant d’environ 1490 nm à 1590 nm, avec une puissance de sortie pouvant atteindre 3 mW. La largeur de la raie d’émission est de 100 kHz, ce qui correspond à une largeur spectrale de 0,8 fm. La résolution spectrale de la source lors du balayage en longueur d’onde correspond à l’incrément minimum de 1 pm de la longueur d’onde d’émission. Cette valeur permet une caractérisation très …ne du spectre des réseaux de Bragg. En pratique, cette résolution peut être dégradée par des sauts de mode (' 40 pm) ou des ‡uctuations de puissance de la source. Pour s’en a¤ranchir, les spectres sont normalisés. Une seconde voie de détection, faisant o¢ ce de référence, est ajoutée pour l’enregistrement du spectre d’émission de la source. La normalisation est obtenue en faisant le rapport de la réponse spectrale en transmission du réseau de Bragg à traits inclinés sur le spectre d’émission de la source.
La fonction d’accordabilité de la source peut être utilisée en mode de balayage pas-à-pas ou en mode rapide. Ce dernier mode, utilisé pour le suivi en temps réel des cinétiques d’adsorption de molécules en surface du transducteur, permet de parcourir l’intervalle spectral de 100 nm en à peine plus d’une seconde. Le mouvement de balayage étant très rapide, il présente des phases d’accélération et de décélération du moteur pilotant la rotation du réseau, respectivement en début et …n de plage spectrale. Il est donc nécessaire de réaliser les mesures en-dehors de ces plages, couvrant environ 2 nm pour une plage spectrale analysée de 100 nm. Dans le cadre des travaux qui sont présentés dans ce manuscrit, l’étendue spectrale utile est sensiblement inférieure à 100 nm. Cette contrainte ne représente donc pas une limitation. Dans le cas de travaux nécessitant le suivi ou la mesure exacte d’une longueur d’onde, il est préférable
d’utiliser des références en longueur d’onde telles que des réseaux de Bragg conditionnés de façon à ne pas présenter de dérive spectrale (par exemple avec la température).