Cette section présente les travaux futurs proposés pour l’amélioration de la détection du mé- thane en lien avec l’utilisation d’un guide d’onde en ruban, puis des améliorations générales pouvant être appliqués à tous types de guides d’onde.
Tel que mentionné précédemment, une étude expérimentale approfondie de l’influence de la largeur du guide d’onde en ruban sur les pertes de propagation devrait être réalisée pour déterminer la largeur optimale permettant de maximiser le facteur de mérite d’un guide d’onde fabriquéF OMf ab. On note que les résultats de cette étude peuvent dépendre de la qualité de la fabrication.
Une approche intéressante est celle de fonctionnaliser le guide d’onde. Des études ont montré que l’ajout d’une couche de revêtement composée de molécules de cryptophane-A ou -E dans une matrice de polymère en polydiméthylsiloxane permet de capturer de façon sélective les molécules de méthane [2;42;96]. Des résultats initiaux indiquent également que l’ajout d’un revêtement en PDMS diminue de façon importante les pertes par insertion, sans avoir d’effet négatif sur les pertes de propagation. Les détails de cette approche et les résultats expéri- mentaux obtenus jusqu’à présent sont présentés à l’annexe B. Bien que cette approche peut aussi être appliquée à des guides d’onde SWG, la robustesse mécanique supérieure des guides
d’onde en ruban permet de réaliser les différentes étapes de post-fabrication requises avec des risques de bris moindres.
De façon plus générale, les améliorations suivantes peuvent aussi être appliquées pour d’autres types de guides d’onde :
— L’ajout d’une étape supplémentaire de décomposition de Fourier dans l’algorithme DEF-R pourrait améliorer son efficacité et sa robustesse [38], tel que discuté dans la section 2.7.3, mais ajoute un niveau de complexité et de calcul supplémentaire. — L’emballage de la puce avec les fibres d’injection augmenterait la stabilité et l’efficacité
d’injection [97]. La dérive de la puissance injectée serait éliminée et le bruit causé par des vibrations serait réduit. De plus, les franges d’interférence devraient être d’ampli- tude réduite puisque cela diminuerait les réflexions aux facettes. La mise en boitier pour coupleur de bord est un procédé trivial à réaliser en industrie [98], mais les outils requis ne sont pas disponibles au COPL.
— Pour le développement de dispositifs intégrés en photonique dont les performances sont sensibles aux pertes, il serait conseillé de travailler, si possible, en collaboration avec la fonderie pour utiliser des procédés de fabrication permettant de réduire la rugosité de surface dans le but de réduire les pertes de propagation.
— Au cours de ce projet, aucune liberté n’était accordée dans le choix des paramètres de la hauteur du guide d’onde et de l’épaisseur du BOX, respectivement fixés à 220 nm
et 2 µm pour respecter les dimensions offertes par Applied Nanotools dans le but de pouvoir accéder à des rondes de fabrication avec des délais d’exécution rapides pour le prototypage. Toutefois, d’autres dimensions sont offertes par des fonderies avec des gaufres différentes, sans compter la possibilité de recourir à la gravure partielle pour des hauteurs de guides d’onde inférieures. Ils serait d’intérêt d’explorer l’effet des pa- ramètres de het de la hauteur du BOX sur les propriétés modales du guide d’onde en
ruban et de déterminer les dimensions optimales.
— Dans un ordre d’idée semblable, seule la plateformeSOI a été étudiée lors de ce projet,
à la longueur d’onde fixe deλ=1653 nm dans l’infrarouge proche. D’autres plateformes
de matériaux en optique intégré offrent un potentiel pour des applications de détection, chacune étant à un niveau de développement actuel différent et offrant des fenêtres de transparence distinctes. Le nitrure de silicium (Si3N4) possède des pertes d’un ordre
de grandeur inférieure aux pertes en SOI et possède un fort niveau de maturité. Cette
plateforme est prometteuse pour des applications passives dans le visible et jusqu’à l’infrarouge moyen à 4 µm [99]. En outre, un grand nombre plateformes de matériaux sont étudiés, dans le but d’opérer encore plus loin dans l’infrarouge moyen [50]. Parmi
ceux-ci, on compte principalement le germanium, la famille des verres de chalcogénures et le silicium sur saphir. Ces travaux laissent entrevoir des possibilités de détection par spectroscopie sur puce pour un grand nombre de gaz, mais également pour une panoplie de molécules et de composés qui ont des signatures uniques dans la région de 8-20 µm. En particulier pour le méthane, la bande d’absorption fondamentale ν3 à λ=3.27 µm possède une absorption d’environ 100 fois plus élevée que pour l’harmonique
à 1653 nm. Des travaux sont en cours de réalisation par le Prof. Loïc Bodiou en utili- sant le montage de contrôle de gaz réalisé par l’auteur et présenté dans ce chapitre, en plus d’une puce en chalcogénure pour la détection du méthane dans l’infrarouge moyen.
— Finalemement, d’autres configurations de spectroscopie d’absorption peuvent être inté- grées et utilisés, tel que la spectroscopie de modulation de longueur d’onde [100] ou la spectroscopie par transformée de Fourier [101]. Ces configurations nécessitent toutefois une complexité additionnelle du système et du traitement de signal.
2.9
Conclusion
Ce chapitre a fait état des résultats de la caractérisation d’un guide d’onde en ruban optimisé pour l’application visée de détection du méthane par spectroscopie d’absorption, ainsi que les étapes de traitement de signal nécessaires pour y parvenir. La géométrie simple de ce type de guide d’onde permet de réaliser facilement les étapes de conception et mise en plan. La robustesse mécanique et l’absence d’éléments de faible taille rendent sa fabrication et les étapes de post-fabrication aisées. Les résultats suivants ressortent des simulations et de sa caractérisation expérimentale.
La caractérisation expérimentale a révélé que le mode TM0 est meilleur que le mode TE0 pour la détection, avec des pertes de propagation mesurées de -3.1 dB/cm, plus faibles que le mode TE0, et un facteur d’interaction de 0.2 plus élevé. Toutefois, ce type de guide d’onde offre un facteur d’interaction limité et faible. C’est pourquoi l’étude du potentiel des guides d’onde SWG a également été réalisée lors de ce projet. Les chapitres suivants présentent les
différentes étapes de cette étude. Les résultats obtenus sont comparés à ceux des guides d’onde en ruban discutés ici.
Malgré tout, les pertes relativement faibles et les performances globales acceptables des guides d’onde en ruban opérant avec le mode TM0 ont permis de développer d’autres aspects du projet nécessaires pour des mesures de détection qui sont également présentés dans ce chapitre : montage expérimental, modèle numérique, traitement de signal pour la détection directe et algorithme de correction des franges d’interférence. Les travaux pour l’ajout d’une couche de
PDMS fonctionnalisée, qui sont débutés, sont montrés à l’annexe B.
leur amplitude puisque la détection est limitée par ce phénomène, ainsi que pour augmenter le signal d’absorption détectable. Différentes améliorations ont été proposées dans la section
Chapitre 3
Guide d’onde en réseaux sous-longueur
d’onde : État de l’art et théorie
Ce chapitre et les suivants portent sur l’étude des guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde. Plus particulièrement, leur application pour la détection de méthane par spectroscopie d’absorption est proposée, puisque nous démontrons qu’ils possèdent un facteur d’interaction plus élevé que les guides d’onde en ruban. De plus, ce travail démontre que ce type de guide d’onde, conventionnellement utilisé dans un régime de métamatériau, présente également le phénomène de lumière lente pour certaines conditions d’opération.
Le présent chapitre introduit les guides d’onde en réseau sous-longueur d’onde (SWG), et
l’état de l’art et la théorie des guides d’onde SWG y sont détaillés. La théorie des cristaux
photoniques y est expliquée, car elle est nécessaire pour simuler adéquatement les propriétés modales de guide d’onde SWG, pour expliquer les différents régimes d’opération des guides
d’onde segmentés périodiquement, ainsi que pour décrire l’effet de lumière lente. Cela permet de poser la fondation des chapitres subséquents étudiant l’application de ce type de guide d’onde à la de détection du méthane.
Le chapitre suivant portera sur la conception d’un guide d’onde en réseaux-longueur d’onde avec lumière lente pour améliorer la détection de méthane par spectroscopie d’absorption sur puce. Ces recherches ont mené à la publication d’un article dans le journal IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics nommé Design of Slow-Light Subwavelength Gra- ting Waveguides for Enhanced On-Chip Methane Sensing by Absorption Spectroscopy [84]. Le chapitre 5 présente ensuite les mesures expérimentales des pertes de propagation des guides d’onde SWG. Finalement, le dernier chapitre montre la démonstration expérimentale de l’ef-
fet de lumière lente dans les guides d’onde SWG, qui a mené à un article de la conférence
2019 IEEE 16th International Conference on Group IV Photonics ayant pour titre Tunable slow-light in silicon photonic subwavelength grating waveguides [102].
Figure 3.1 – Schéma d’un guide d’onde en réseau sous-longueur d’onde et ses différents paramètres géométriques
3.1
Introduction et revue de l’art
Les guides d’ondeSWG ont été introduits brièvement dans la section1.4.1, mais l’état de l’art
est décrit en plus amples détails dans cette section, suivi de la théorie.
Ce type de guide d’onde a été premièrement démontré par Cheben et al. [103; 104] comme pouvant guider la lumière dans un régime sans diffraction, en plus d’offrir l’important avantage de pouvoir modifier l’indice effectif du mode guidé. Les nombreux degrés de liberté apportés par les paramètres géométriques sur la structure permettent de contrôler les propriétés modales, ce qui a suscité beaucoup d’attention dans les années récentes. Non seulement l’indice effectif peut être ajusté [103; 105; 106], mais également le profil spatial du mode [107;108;109], sa dispersion [110;111] et son anisotropie [112]. Des revues sur l’état de l’art et des applications utilisant des guides d’onde SWG sont présentés de façon générale dans les références [66; 113;114; 115], y compris pour des applications de biocapteurs [116]. Finalement, nous avons également démontré que l’indice de groupe peut être accordé, jusqu’à ng≈30 [102].
En plus des guides d’onde, la structure des réseaux sous-longueur d’onde a été incorporée à différents composants pour en améliorer les performances. Une liste non exhaustive de ceux-ci
inclut : les filtres spectraux [117;118;119], coupleurs contradirectionnels[109;120], résonateurs en anneau : [107;121;122;123], coupleurs en réseaux [124;106], coupleurs de bord [103;125], coupleurs directionnels [111;126], coupleurs d’interférence multimode (MMI ) [127;128], guides d’onde courbés [108;126;129], guides d’onde suspendus [130], rotateurs de polarisation [131;
132;133], déphaseurs [134], intersections de guide d’onde [135] etMZIs [136].
L’utilisation de guides d’onde en réseau sous-longueur d’onde pour des applications de dé- tection a été étudiée auparavant selon deux approches [116]. La première est basée sur la technique de réfractométrie d’une structure résonante, telle un résonateur en anneau en ré- seaux sous-longueur d’onde (voir Fig.3.2a) [107;121;123] ou unMZI [137] dont l’un des bras
en SWG est exposé à l’analyte. La structureSWG permet de délocaliser le mode du coeur du
guide d’onde et donc d’augmenter le facteur de remplissage, tel que proposé en premier par [138]. Cela a pour effet d’augmenter la sensibilité du capteur. Comme discuté précédemment, l’approche basée sur la réfractométrie manque toutefois de sélectivité.
Une autre façon d’utiliser la structure des réseaux sous-longueur d’onde, proposée récemment, consiste à crer des guides d’onde suspendus (voir Fig. 3.2b) [130]. Le revêtement latéral est formé d’une structure en réseaux sous-longueur d’onde agissant comme métamatériau, celle-ci sert de support mécanique à un guide d’onde en ruban et permet de laisser un espace pour la pénétration d’acide fluorhydrique liquide pour le retrait du BOX. Sans interaction avec le
substrat en SiO2, fortement absorbant au-delà de ≈3.8 µm, le guide d’onde suspendu obtenu est donc opérable dans l’infrarouge moyen sur la plage complète de transparence du silicium qui s’étend jusqu’à ≈ 8 µm. Les pertes obtenues avec ce guide d’onde sont de 0.82±0.01 dB/cm àλ=3.8 µm [139] et de 3.1±0.1 dB/cm àλ=7.67 µm [140]. Ces résultats encourageants ouvrent
la voie à des applications de détection par spectroscopie dans la région spectrale de l’infrarouge moyen sur la plateforme SOI, compatible à la fabrication CMOS. Le désavantage principal
de cette approche est la nécessité d’ajouter une étape de gravure par acide fluorhydrique en post-fabrication, une solution aqueuse qui est très corrosive et toxique.
(a) Résonateur en anneau en guide d’onde SWG. De [107]
(b) Guide d’onde suspendu avecSWGcomme revê- tement latéral. De [130]
Figure 3.2 – Approches proposées dans la littérature utilisant la structure en réseaux sous- longueur d’onde pour des applications de détection