Guides d'onde sur silicium pour la détection du
méthane par spectroscopie d'absorption
Mémoire
Antoine Gervais
Maîtrise en génie électrique - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Guides d’onde sur silicium pour la détection du
méthane par spectroscopie d’absorption
Mémoire
Antoine Gervais
Sous la direction de:
Sophie LaRochelle, directrice de recherche Wei Shi, codirecteur de recherche
Résumé
Dans un contexte de changements climatiques, des capteurs de méthane abordables, mais performants et autonomes sont requis pour surveiller les émissions et quantifier les concen-trations de ce puissant gaz à effet de serre dans l’atmosphère des régions éloignées, comme les milieux nordiques. Une solution prometteuse pour répondre à ce besoin provient de la photonique sur silicium, une plateforme d’optique intégrée. Les guides d’onde intégrés sont un composant essentiel pour la détection sur puce par spectroscopie d’absorption, où ils jouent le double rôle de routage et de transducteur. Ainsi, ce projet vise à améliorer les performances du guide d’onde nécessaire à cette application. Des guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde (SWG) opérant en régime de lumière lente sont proposés pour améliorer l’interaction lumière-matière. Leur segmentation périodique a comme effet qu’une large fraction de la lumière se propage dans l’air, le milieu d’intérêt à sonder. De plus, il est démontré que la périodicité de la structure, lorsque proche, mais inférieure à la moitié de la longueur d’onde, produit un effet de lumière lente ; c’est-à-dire que la vitesse de la lumière guidée diminue alors fortement. Leurs pertes de propagation et leurs indices de groupe sont ensuite caractérisés et comparés à des guides d’onde en ruban conventionnels à titre de référence. Bien que les guides d’onde SWG possèdent un facteur d’interaction supérieur aux guides d’onde en ruban, leurs pertes de propagation plus élevées limitent leurs performances. Les guides d’onde en ruban sont donc la meilleure option pour cette application, en plus d’être mécaniquement plus robustes et faciles à concevoir et fabriquer. Des efforts de détection sur puce avec ces derniers ont été réalisés, mais la présence de franges d’interférence est le facteur limitant malgré l’application d’une technique de traitement de signal pour les atténuer. D’autres méthodes sont proposées pour améliorer le rapport signal sur bruit. Finalement, il est démontré expérimentalement que les guides d’onde SWG peuvent supporter un régime de lumière lente. Un indice de groupe maxi-mal de 30 est obtenu et celui-ci est aisément accordable, autant en amplitude qu’en position spectrale, ouvrant la voie à diverses autres applications pour ce type de guide d’onde.
Abstract
In the context of climate change, affordable, but effective and autonomous methane sensors are required to monitor the emissions and the concentration of this potent greenhouse gas in the atmosphere of remote areas, like in northern environments. A promising solution to this need comes from silicon photonics, an integrated optics platform. Integrated waveguides are an essential component for on-chip detection by absorption spectroscopy, where they play the dual role of routing and transducer. Thus, this project aims at improving the performance of the waveguide for this application. The use of slow-light subwavelength grating waveguides (SWG) is proposed to enhance the light-matter interaction. Their periodic segmentation has the effect that a large fraction of the light is propagating through the air, the medium of interest to probe. In addition, we show that the periodicity of the structure, when close but less than half the wavelength, produces the slow-light effect; i.e. the speed of guided light drops sharply. Their propagation losses and their group index are then characterized and compared to conventional strip waveguides for reference. Although the SWG waveguides have an interaction factor greater than strip waveguides, their higher propagation loss limit their performances. Strip waveguides are therefore chosen for further investigation for the sensor application., in addition to being mechanically robust, and easier to design and fabricate. Efforts for on-chip detection of methane have been made with strip waveguides, but the presence of interference fringes is the limiting factor despite the application of a signal processing technique to mitigate them. Other methods are proposed to improve the signal to noise ratio. Finally, we experimentally show that SWG waveguides can support a slow-light regime. A maximum group index of 30 is obtained and it is easily tunable, in both amplitude or wavelength, paving the way for various other applications for this type of waveguide.
Table des matières
Résumé iii
Abstract iv
Table des matières v
Liste des tableaux vii
Liste des figures viii
Acronymes xii Symboles xiii Remerciements xv Introduction 1 Introduction 2 1.1 Motivation . . . 2
1.2 Photonique sur silicium . . . 5
1.3 Spectroscopie d’absorption avec diode laser accordable . . . 9
1.4 Guide d’onde . . . 13
1.5 Conclusion . . . 22
2 Guide d’onde en ruban 24 2.1 Conception . . . 24
2.2 Mise en plan . . . 30
2.3 Fabrication . . . 32
2.4 Post-fabrication . . . 33
2.5 Mesures expérimentales . . . 34
2.6 Estimation des performances théoriques par modèle numérique . . . 41
2.7 Mesure de détection de méthane . . . 43
2.8 Travaux futurs . . . 51
2.9 Conclusion . . . 53
3 Guide d’onde en réseaux sous-longueur d’onde : État de l’art et théorie 55 3.1 Introduction et revue de l’art . . . 56
3.3 Conclusion . . . 61
4 Guide d’onde en réseaux sous-longueur d’onde : Conception 62 4.1 Introduction. . . 63
4.2 Model : Beer-Lambert law and interaction factor . . . 66
4.3 Design considerations for SWG waveguides . . . 66
4.4 Simulations of strip and SWG waveguides . . . 68
4.5 Discussion . . . 72
4.6 Conclusion . . . 74
5 Guide d’onde en réseaux sous-longueur d’onde : Caractérisation des pertes 80 5.1 Mise en plan . . . 80
5.2 Fabrication et post-fabrication. . . 81
5.3 Mesures expérimentales . . . 83
5.4 Conclusion . . . 93
6 Guide d’onde en réseaux sous-longueur d’onde : Mesures de la lumière lente 94 6.1 Introduction. . . 95
6.2 Design and fabrication . . . 96
6.3 Experimental results . . . 97
6.4 Conclusion . . . 98
Conclusion 100
A Liste des puces fabriquées 103
B Post-fabrication et pertes d’insertion de guides d’onde en ruban
recou-verts de PDMS 107
C Pertes de propagation des guides d’onde en réseaux sous-longueur
d’onde, puce #5 110
Liste des tableaux
2.1 Propriétés simulées des modes TE0 et TM0 pour la conception choisie du guide
d’onde en ruban avec W =600 nm pour maximiser le facteur d’interaction simulé 27
2.2 Pertes de propagation mesurées, puissance d’entrée et figure de mérite des guides
d’onde fabriqués résultant des modes TE0 et TM0 d’un guide d’onde en ruban . 36
2.3 Paramètres d’entrée pour la simulation du spectre de puissance de sortie
expé-rimental . . . 42
2.4 Paramètres de sortie de l’ajustement de courbe d’absorption par fonction de pseudo-Voigt τ pour des mesures en espace libre avec une concentration de
C=5% . . . 46
5.1 Pertes de propagation mesurées et propriétés modales simulées pour les
concep-tions de guides d’onde SWG présentées dans le chapitre 4, puce #5 . . . 89
5.2 Pertes de propagation mesurées minimales et propriétés modales simulées pour les conceptions de guide d’onde SWG, pour les régions métamatériau et lumière lente (Puce #5). La figure de mérite pour les guides d’onde fabriqués, F OMf ab,
est calculée. . . 89
5.3 Comparaison des pertes de propagation mesurées dans ce travail avec celles rapportées. Les paramètres de conception et les particularités de fabrication et
de mesures sont indiqués. . . 91
A.2 Liste détaillée de l’ensemble des puces conçues et fabriquées au cours du projet. Les puces sont classées par date de soumission. Des informations sur la fabrica-tion, les paramètres de conception choisis et les pertes de propagations mesurées sont incluses pour les guides d’onde en ruban. Des commentaires précisent cer-tains détails. Si non explicité autrement, le revêtement est en air et les mesures
sont à λ=1653 nm. . . 106
B.1 Pertes de propagation pour le mode TM0 et d’insertion pour des guides d’onde
en ruban pour différents revêtements avec des indices de réfraction n. Puce #2.
W=600 nm. . . 109 C.1 Pertes de propagation, figure de mérite de guides d’onde fabriqués et propriétés
modales de différents ensembles de paramètres de conception de guide d’onde
Liste des figures
1.1 (a) Moyenne annuelle mondiale des anomalies de la température de surface com-binant les terres émergées et les océans par rapport à la moyenne établie pour la période 1986–2005. Les différents ensembles de données sont représentés par des courbes de couleurs différentes. (b) Moyenne mondiale des concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre, dont le méthane (orange). Figure tirée
du GIEC, 2014 [1]. . . 3
1.2 Section transversale d’une puce en photonique sur silicium (Gauche) Couches de silicium et de dioxyde de silicium de la plateforme silicium sur isolant ; (Centre-gauche) Guide d’onde en ruban fabriqué par gravure complète et recouvert de SiO2; (Centre-droite) Guide d’onde en ruban sans recouvrement, exposé à l’air ;
(Droite) Coupleur à réseaux fabriqué par gravure partielle recouvert de SiO2 . . 7
1.3 Schéma des composants d’un système de spectroscopie d’absorption avec diode accordable, en espace libre, par détection directe. Le signal obtenu en fonction du courant de la diode est illustré. On note en pointillé la modulation
d’ampli-tude résiduelle. . . 10
1.4 Schéma de la configuration du système optique pour réaliser un capteur de gaz
intégré sur puce par spectroscopie d’absorption avec diode accordable. . . 11
1.5 Coefficient d’absorption pour le méthane à C=100% (a) dans la région de l’in-frarouge ; (b)Autour de λ=1653 nm (bande 2ν3) dans le proche infrarouge ; (c)
autour de λ=3270 nm (bande ν3) dans l’infrarouge moyen. . . 13
1.6 Vue 3D schématique de la propagation de la lumière dans des guides d’onde intégrés sur puce pour la détection du méthane. (a) Mode fondamental TM0
pour un guide d’onde en ruban et (b) Mode de Bloch fondamental TE0 variant
périodiquement selon la direction de propagation pour un guide d’onde sous
longueur d’onde. . . 14
2.1 Vue schématique 3D d’un guide d’onde en ruban et de ses paramètres
géomé-triques : sa hauteur h et sa largeur W . . . 25
2.2 Profil de l’amplitude du champ électrique des trois premiers modes supportés par un guide d’onde en ruban pour différentes largeurs de W =450, 600 et 750
nm, à λ=1653 nm . . . 26
2.3 Propriétés simulées des trois premiers modes supportés d’un guide d’onde en ruban en fonction de sa largeur : (a) Indice effectif. (b) Fraction de polarisation TE. (c) Perte de propagation. (d) Facteur de remplissage. (e) Indice de groupe.
(f) Facteur d’interaction.. . . 28
2.5 Image de microscope optique de structures de test fabriquées pour la caractéri-sation des pertes de propagation de guides d’onde par la méthode de coupure.
Différentes longueurs de guide d’onde sont caractérisées. . . 32
2.6 Images SEM de guide d’onde en ruban de la puce #6 . . . 34
2.7 Schéma du banc de mesure pour la caractérisation optique de puce avec I/Os en coupleurs de bord. Flèches rouges : signal optique. Flèches bleues : signal
électrique. . . 36
2.8 Mesures de la puissance de sortie en fonction de la longueur du guide d’onde en
ruban, pour les modes TE0 et TM0 . . . 37
2.9 Mesures de la puissance de sortie en fonction de la longueur d’onde pour un guide d’onde en ruban, pour (a) le mode TE0 et (b) le mode TM0 pour quatre
différentes longueurs de guide. (c) Écart-type des franges d’interférence. (d) Rapport d’extinction maximal des franges d’interférence. L1=0.88, L2=2.63,
L3=4.39, L4=6.15 cm, Puce #6 . . . 40
2.10 Spectre de la puissance de sortie simulé pour les modes TE0 et TM0 à partir
des caractéristiques théoriques et expérimentales des guides d’onde en ruban, pour une concentration de 5% de méthane. Les autres valeurs de simulation
sont présentées en légende pour chaque cas. . . 42
2.11 Schéma du banc de mesure pour la détection de méthane sur puce par TD-LAS. Flèches rouges : signal optique. Flèches bleues : signal électrique. Flèches
oranges : gaz . . . 44
2.12 Mesures de TDLAS directe en espace libre . . . 45
2.13 Schéma du principe de l’algorithme de correction de franges DEF-R. Un signal de référence est transformé et additionné à la courbe d’absorption du gaz ajus-tée à un profil de pseudo-Voigt. Les paramètres libres de ces deux courbes sont optimisés pour ajuster le signal d’absorption ajusté résultant au signal d’ab-sorption mesuré. La transformation du signal de référence permet de corriger la variation spectrale et d’amplitude des franges d’interférence au cours du temps de l’acquisition des données. L’amplitude de la fonction pseudo-Voigt ajustée
permet de calculer la concentration du méthane mesurée. . . 47
2.14 Cas de figure de l’algorithme DEF-R appliqué sur des spectres mesurés sans (t=0), puis avec la présence de méthane au fil du temps. Un guide d’onde en ruban de L=5.8 cm, W =600 nm avec un revêtement en PDMS est utilisé, avec le mode TM0. La concentration de méthane est initialement nulle à t=0 (s)
(ligne noire), puis à C=5% pour toutes autres mesures. En (a), les spectres des données mesurées incluant le signal de référence à t=0 (s) ; en (b), le signal de référence transformé ; en (c), la fonction d’absorption de Voigt ajusté ; en (d) le
signal d’absorption ajusté et ; en (e) les résidus de l’algorithme . . . 49
2.15 Variation de puissance au centre de la raie de la fonction d’absorption de Voigt ajusté τ(λscan) avec l’algorithme DEF-R en fonction de temps, tout d’abord
sans, puis avec la présence de méthane (C=5%). Un guide d’onde en ruban de L=5.8 cm, W =600 nm avec un revêtement en PDMS est utilisé, avec le mode
TM0. Puce #2. . . 50
3.1 Schéma d’un guide d’onde en réseau sous-longueur d’onde et ses différents
pa-ramètres géométriques . . . 56
3.2 Approches proposées dans la littérature utilisant la structure en réseaux
3.3 Schéma de la structure de bande pour un guide d’onde segmenté. Les différents régimes d’opération sont illustrés. Dans le régime sous-longueur d’onde (bande 1), deux régions sont illustrées ; la région métamatériau où la bande est quasi-linéaire et la région lumière lente où la bande est courbe. Les lignes de lumière
de l’air et du SiO2 ainsi que la bande interdite sont présentées. . . 60
4.1 3D representation of (a) a strip waveguide and (b) a SWG waveguide. The shaded transverse planes indicate the positions of the field monitors for the
calculated field distributions shown in Fig 4.3 . . . 66
4.2 Band structure of a SWG waveguide for TE modes (W = 800 nm, Λ= 430 nm). The different regions of operations are labeled on the graph. The star is the
proposed design in the slow-light region. . . 69
4.3 E-field magnitude profile, calculated with 3D FDTD, for the fundamental TE0
mode of the SWG waveguide in the different planes shown in Fig. 4.1(b) with W = 1 µm, Λ= 300 nm and duty-cycle = 0.5. (a) Cross-section in the middle of a gap. (b) Cross-section in the middle of a silicon pillar. (c) At mid-height (z = 110 nm) of the SWG waveguide over a length of one period along the
propagation axis (x-axis). . . 70
4.4 Simulated modal properties of the TE0 Bloch mode for the SWG waveguides.
(a) Normalized wave vector. (b) Effective index (the dashed line is the cutoff condition at nSiO2 = 1.44 and the dotted line is the nef f = 1.65 minimum target value for negligible leakage losses). (c) Group index. (d) Filling factor. (e) Interaction factor. For (d) and (e), the red dotted line is the maximum value
for a strip waveguide. maximum . . . 71
4.5 Simulated transmission spectrum (near λ=1651 nm) for methane concentration of 1% for the different types of waveguides (L=1.44 cm, αprop= 3 dB/cm). The
shaded area depicts the expected variation in the slow-light results considering
fabrication error of h=±2 nm, W =±10 nm and duty-cycle = ±5%. . . 72
5.1 Exemples de cellules paramétrées basées sur les réseaux sous-longueur d’onde. (a) Guide d’onde SWG droit. (b) Convertisseur de mode adiabatique SWG-ruban. (c) Guide d’onde SWG courbe accordé. (d) Spirale carrée SWG formée des trois derniers composants. (e) Allers-retours de guides d’onde SWG. (Les
figures ne sont pas à l’échelle) . . . 81
5.2 Images SEM de guide d’onde SWG de la puce #6 . . . 82
5.3 Images SEM de guide d’onde SWG ayant divers problèmes de fabrication . . . 83
5.4 Mesures de puissance de sortie en fonction du nombre de convertisseurs de mode SWG-ruban permettant de calculer les pertes d’insertion par méthode de
coupure. Puce #4. . . 85
5.5 Images SEM de courbes de guide d’onde SWG de rayon R=5 µm. Puce #4 . . 86
5.6 Pertes par courbe de 90° de rayon R=5 µm pour un guide d’onde SWG avec DC non-accordée (DCint=DCext=0.5) et accordé (DCint6= DCext6=0.5). Résultats
de simulations et expérimentaux de la puce #4. . . 87
5.7 Pertes par courbe de 90° de rayon R=30 µm pour un guide d’onde SWG avec DC non-accordé (DCint=DCext=0.5) et accordé (DCint 6= DCext 6=0.5). Résultats
5.8 Mesures de la puissance de sortie en fonction de la longueur du guide d’onde en ruban et les pertes de propagation résultantes, pour les guides d’onde SWG ayant les meilleures performances avec les paramètres et les propriétés modales
présentés dans le tableau 5.2 . . . 90
5.9 Pertes de propagation en fonction de l’indice de groupe pour les guides d’onde SWG. Puce #5. Les données sont présentées au tableau C.1. Les pertes de
propagation augmentent quadratiquement, sauf pour 3 valeurs. . . 91
6.1 Schematic of (a) an SWG waveguide of width W and period Λ (b) a strip waveguide of width W , and (c) the Mach-Zehnder interferometer used as a test
structure (not to scale). . . 96
6.2 (a) Measured group index as a function of wavelength for different SWG periods. (b) Measured band edge wavelength as a function of the period of the SWG
waveguide. The line is a linear regression fit. . . 97
6.3 (a) Measured group index for different voltages applied to the thermal resistance (b) Measured band edge wavelength as a function of the power supplied to the
resistive heater. . . 98
Acronymes
BOX Buried oxide
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor DEF-R Dynamic etalon fitting-routine
MIR Infrarouge moyen
MZI Mach-Zehnder interferometer SEM Scanning electron microscopy SOI Silicon on insulator
SWG Subwavelength grating
TDLAS Tunable diode laser absorption spectroscopy CH4 Méthane
I/O Entrée-sortie
PDMS Polydiméthylsiloxane SiO2 Dioxyde de silicium
TE0 Mode fondamental transverse électrique
Symboles
a Longueur des blocs de silicium des guides d’onde SWG
A Absorbance
Absorption molaire
E Champ électrique
H Champ magnétique
αabs Coefficient d’absorption
αprop Coefficient d’atténuation des pertes de propagation
C Concentration
DC Rapport cyclique f Facteur de remplissage γ Facteur d’interaction
F OMf ab Figure de mérite pour guide d’onde fabriqué
F OMsimu Figure de mérite simulée de guide d’onde
ω Fréquence angulaire
ωbe Fréquence angulaire à l’extrémité de la bande interdite
h Hauteur du guide d’onde
n Indice de réfraction du matériau ng Indice de groupe
nef f Indice effectif
W Largeur du guide d’onde LoD Limite de détection
λ Longueur d’onde
λband−edge Longueur d’onde de l’extrémité de la bande interdite
L Longueur du parcours optique
Λ Période P0 Puissance initiale P Puissance transmise R Rayon de courbure S Sensibilité T Transmission
∆P Variation de puissace
Kx Vecteur d’onde dans la direction de propagation
vg Vitesse groupe
vp Vitesse de phase
c0 Vitesse de la lumière dans le vide
Remerciements
J’aimerais remercier tous ceux et celles qui ont fait de ces deux dernières années, des années très agréables, formatrices et gratifiantes.
Tout d’abord, je remercie sincèrement ma directrice de recherche, Sophie LaRochelle, pour son soutien, sa sagesse et ses conseils prodigués. Ce fut un plaisir de réaliser ma maîtrise sous votre supervision. Merci beaucoup à Wei Shi, mon codirecteur de recherche, dont l’expertise, la motivation et la confiance, ainsi que le bon café fourni ont permis de me dépasser et de mener plus loin ce projet. Je souhaite également remercier les examinateurs d’avoir accepté de lire ce manuscrit et d’en avoir évalué le contenu.
Un merci spécial à Philippe Jean, Loïc Bodiou, Ruohui Wang, Amir Tork, Nelson Landry, Wen Zhang, Nathalie Bacon et Simon Levasseur pour leur aide à ce projet à travers leur temps accordé, leur collaboration et leurs conseils. Merci également à mes collègues Omid Jafari, Philippe, Simon Bélanger, Jean-Michel Vallé, Raphaël Dubé-Demers et Dominique Charron pour leur partage de connaissances sur le domaine de la photonique sur silicium et les discussions intéressantes.
Je tiens à remercier Sentinelle Nord pour l’aide financière au projet, pour les bourses offertes à la mobilité et aux formations, ainsi que pour les expériences et formations offertes. Merci à CMC Microsystèmes et au programme SiEPIC pour la création d’un écosystème rendant accessible la photonique sur silicium. Merci à tous les gens derrière ces programmes supportant la recherche scientifique.
L’excellente ambiance au bureau a été rendue possible grâce à Alessandro, Long, Charles, Gabriel et Omid. Merci à vous.
Finalement, je remercie personnellement ma famille, en particulier mes parents Richard et Nathalie, pour votre support. Merci également à mes amis pour les bons moments partagés. Merci, Ariane, pour ton amour.
Introduction
1.1
Motivation
L’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre par les activités humaines est la cause principale du réchauffement climatique, ayant des impacts significatifs sur les infrastruc-tures, les écosystèmes et le climat. Le méthane CH4 est un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique (voir Fig. 1.5a). En 2011, les émissions de méthane dans l’at-mosphère avaient un forçage radiatif de 0.92 Wm−2, responsable à 20 % du réchauffement
climatique causé par les gaz à effet de serre au mélange homogène, second en importance après le dioxyde de carbone. Sa concentration dans l’atmosphère est actuellement d’environ 1.8 ppm, 150 % supérieure à son niveau préindustriel (voir Fig. 1.5c) et à un niveau sans précédent depuis au moins 800 000 ans. Le méthane possède un potentiel de réchauffement global 28 fois supérieur au dioxyde de carbone sur une période de 100 ans. Le CH4 possède une durée de vie de 9±2 ans dans l’atmosphère, puis se décompose en dioxyde de carbone et en eau, ce qui en fait une cible de réduction rapide pour l’atténuation des changements clima-tiques [1; 3]. Le méthane contribue également à la formation de l’ozone dans la troposphère [4], un des principaux polluants causant le smog et qui est susceptible de nuire à la santé de la population [5]. De par ses propriétés de gaz à effet de serre qui ont des conséquences sur le réchauffement climatique, il est donc d’intérêt général de surveiller de près la présence et la concentration dans l’atmosphère du méthane.
Les principales sources naturelles du méthane incluent les émissions des zones humides et autres systèmes hydriques, de sources géologiques terrestres, d’animaux sauvages, de feux de forêt, de termites, du pergélisol et de sources océaniques. Les principales activités humaines causant des émissions anthropiques de méthane sont l’agriculture en condition anaérobique (tel que la riziculture) et la production de bétail, ainsi que la production et la distribution de gaz naturel et de pétrole. Les déchets solides municipaux, la combustion incomplète de la biomasse et de combustible fossile, ainsi que la production du charbon sont également des sources anthropiques de méthane [6].
Dans le cadre de ce projet, la source d’émission du méthane dont nous désirons faire le suivi est celle provenant de la fonte du pergélisol. Des quantités importantes de méthane sont stockées
(a)
(b)
Figure 1.1 – (a) Moyenne annuelle mondiale des anomalies de la température de surface combinant les terres émergées et les océans par rapport à la moyenne établie pour la période 1986–2005. Les différents ensembles de données sont représentés par des courbes de couleurs différentes. (b) Moyenne mondiale des concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre, dont le méthane (orange). Figure tirée du GIEC, 2014 [1].
dans les fonds océaniques et dans le pergélisol des régions arctiques. Le dégel du pergélisol et des lacs arctiques est causé par l’augmentation de la température et la modification du couvert neigeux [1]. Cela entraîne la libération du méthane dans l’atmosphère. Un tel phénomène crée une forte boucle de rétroaction positive qui pourrait accélérer le réchauffement climatique [7]. Toutefois, l’ampleur et la dynamique des changements des émissions de méthane dans ces ré-gions restent incertaines. Il est donc nécessaire d’obtenir plus de données de façon précise afin de permettre la détection des émissions de méthane sur de longues périodes et avec une bonne résolution spatiale. De telles mesures sont impératives pour améliorer l’exactitude des prévi-sions des changements climatiques et élaborer les politiques environnementales nécessaires à leur mitigation [8]. Pour combler ce besoin, il est urgent de développer une nouvelle génération d’outils de détection pour quantifier les émissions naturelles et anthropiques de méthane en temps réels. Ces instruments devront à la fois être précis et déployables en réseaux dans des locations isolées et extrêmes telles que l’Arctique [9].
Une autre application pour les capteurs de méthane ayant un fort potentiel commercial et qui agit actuellement comme levier financier pour le développement de cette nouvelle génération de capteurs de méthane est celle de la détection de fuites pour l’industrie des gaz naturels [10]. La combustion du gaz naturel produit moins de dioxyde de carbone que les autres combustibles fossiles. Bien que cette stratégie soit critiquée, le gaz naturel pourrait être utilisé dans un futur proche pour une transition énergétique moins polluante, avant la mise en place d’un système d’énergie sans carbone. Une lacune importante de cette stratégie est que les fuites de gaz naturel lors de l’extraction et du transport sont une cause d’émission de méthane qui entraîne des impacts environnementaux négatifs et des pertes économiques, en plus de représenter des risques de catastrophes pouvant mettre en danger la sécurité des travailleurs et des bris d’équipement. On estime que 8 % à 17 % des émissions de méthane de ce secteur proviennent des fuites d’équipement [11]. Une plus grande attention doit donc être portée à la détection et la réparation des fuites pour que l’impact environnemental d’une transition de l’utilisation du pétrole et charbon comme source d’énergie au gaz naturel soit positive [12;13], sinon l’utilisation du gaz naturel comme carburant de transition sera une mauvaise stratégie de réduction de gaz à effet de serre [14]. Actuellement, les méthodes de détection des fuites ont des capacités limitées et permettent une faible fréquence d’inspection [10;15]. La solution actuelle de détection de gaz, principalement basée sur des caméras infrarouges, est également dispendieuse, nécessite un opérateur, possède une limite de détection élevée de 5000 ppm·m (seulement les larges fuites peuvent être détectées), est non quantitative et n’est pas spécifique au méthane. Un moyen proposé pour la détection en temps réel des fuites est d’utiliser des capteurs in situ, peu coûteux, petits et à faible consommation énergétique qui sont déployés en réseaux sans-fil [16;17]. Ces requis sont semblables à ceux d’un capteur de méthane pour la détection d’émission de la fonte du pergélisol.
Une autre application possible inclut la détection d’émissions dangereuses dans les mines de charbon, où le méthane peut exploser lorsque sa concentration est entre 5 et 15% et diminuer la concentration d’oxygène dans l’air [18]. L’analyse du méthane dans les gaz respiratoires pour la détection de problème intestinal ou de fermentation coliques [19], et des capteurs de gaz à effet de serre connectés à l’Internet des objets pour les villes intelligentes [20] sont d’autres domaines d’application à plus long terme. Chaque application nécessite une opération du capteur dans une plage de concentration du méthane recommandée (voir des exemples au tableau 1 de [21]).
Le but du présent travail s’inscrit dans le développement d’un capteur optique intégré pour la détection du méthane. Cette nouvelle génération de capteur autonome doit permettre de diminuer le coût, la taille et la consommation d’énergie, doit avoir une réponse quantitative et spécifique au méthane, tout en ayant des performances comparables ou supérieures aux cap-teurs actuels [22]. Celui-ci doit combler le vide entre l’équipement existant haut de gamme, typiquement encombrant et coûteux (spectromètre infrarouge, spectromètres de masse,
chro-matographe), et bon marché, ayant généralement des performances insuffisantes en termes de limite de détection, sélectivité et dérive temporelle (analyseur non dispersif à infrarouge, capteur de gaz catalytique ou électrochimique, ou capteur semi-conducteur) [23].
1.2
Photonique sur silicium
Une voie très prometteuse pour l’atteinte de ces objectifs est la photonique sur silicium, une plateforme technologique d’optique intégrée en développement et croissance rapide. Cette pla-teforme planaire permet d’utiliser le silicium comme matériau optique pour guider et traiter la lumière. Un des attraits importants du silicium (Si) provient de sa différence élevée d’indice de réfraction avec le dioxyde de silicium (SiO2) (∆n ≈ 2), qui permet un très grand confinement
de la lumière lors de la propagation par réflexion totale interne. On peut ainsi miniaturiser les composants et réaliser des circuits photoniques intégrés sur puce avec une grande densité afin de contrôler et traiter les signaux lumineux. On obtient donc des réductions en taille, en poids et en puissance de systèmes et appareils optiques, tout en améliorant les performances et la fiabilité. La force motrice de cette plateforme technologique est qu’en utilisant les tech-niques de fabrication matures et avancées de l’industrie des semi-conducteurs CMOS1, il est
possible de réaliser la production de masse de dispositifs photoniques sur silicium à faible coût [24;25]. Ce domaine de recherche existe depuis les années 1980, mais est en plein essor depuis la dernière décennie [26]. Une application clé qui entraîne la mise en marché de la pho-tonique sur silicium est celle des systèmes de communication optique et des interconnexions de données. La photonique sur silicium permet d’augmenter leurs bande passante, densité et efficacité énergétique, tant pour des applications courte portée (centre de données) que longue distance [27]. Un grand nombre d’autres applications sont explorées pour cette technologie de rupture, incluant, entres autres, des capteurs optiques pour un ensemble de paramètres physiques, chimiques ou biologiques, le calcul à haute performance, la télédétection par la-ser, l’informatique quantique, l’intelligence artificielle, la communication en espace libre et l’imagerie. Ici, l’application d’intérêt est dans le domaine des capteurs chimique de gaz. Les composants fondamentaux de la photonique sur silicium utilisés ou discutés dans ce projet sont les suivants. Les guides d’onde sont le composant de base de la photonique intégrée sur silicium. Différents types de guides d’onde ayant différents avantages, limitations et particula-rités ont étés démontrés et sont décrits en détail dans la section1.4. Des guides d’onde courbes permettent de faire le routage sur la puce entre les différents composants et doivent être conçus pour minimiser les pertes tout en ayant un faible rayon de courbure pour être compacts. Les coupleurs directionnels, les coupleurs par interférence multimode et les branches en Y ont la fonction de diviseur de puissance optique. Les interféromètres de Mach-Zehnder (MZI2) et
les résonateurs en anneaux sont des structures résonantes, ayant des applications en télécom-1. De l’anglais,Complementary Metal Oxide Semiconductor
munication comme modulateur ou en détection comme réfractomètre. Des convertisseurs de mode adiabatique permettent de faire la transition entre deux types ou géométries de guides d’onde, A et B, supportant des modes différents en minimisant les pertes de puissance sur une longue distance par la transformation graduelle du mode. Des entrées et sorties (I/Os) optiques sont nécessaires pour interfacer le circuit optique sur la puce à des fibres optiques, permettant notamment la connexion à des instruments de mesures, des sources et des détecteurs optiques externes. Bien qu’à terme l’ensemble des différents composants d’un système de détection de méthane pourrait être complètement intégré sur puce, desI/Os permettent les test et mesures pour le développement au niveau des composants individuels. Les coupleurs à réseaux et les coupleurs de bord sont les deux types d’I/Os utilisés, ayant leurs avantages et désavantages respectifs. Les coupleurs à réseaux sont compacts et permettent de rediriger la lumière sur le dessus de la puce, permettant les tests et les mesures d’une grande densité de composants de façon automatisée, mais ils ont une bande passante limitée, sont dépendants de la polarisation et ont de larges pertes d’insertion. Quant à eux, les coupleurs de bords ont une large bande passante, sont indépendants de la polarisation et ont de plus faibles pertes d’insertion, mais ils doivent êtres situés sur un des bords de la puce, prennent plus d’espace et nécessitent d’ajouter une étape additionnelle de fabrication pour la gravure des tranchées profondes sur les bords. Des photodétecteurs peuvent être fabriqués monolithiquement et convertissent le signal optique en signal électrique. Différentes approches ont été proposées pour intégrer des lasers en photonique sur silicium : le collage de puce retournée ou la croissance épitaxiale de matériaux III-V, des lasers externes co-emballés, l’utilisation de lasers à points quantiques ou des lasers fabriqués monolithiquement en germanium sur silicium [28].
Les différentes étapes standard constituant un cycle de conception d’un composant ou d’un système en photonique sur silicium sont : la conception et simulation, la mise en plan, la fabrication, la post-fabrication si nécessaire puis la caractérisation expérimentale.
Puisque ce travail s’inscrit dans un modèle de recherche sans fabrication (fabless), l’étape de fabrication est réalisée par une fonderie CMOS commerciale, à travers des calendriers
d’exécution multiprojets. Les deux méthodes de fabrication utilisées lors de ce projet sont la lithographie par faisceau d’électrons (communément appelée lithographie e-beam) et la pho-tolithographie ultraviolette, permettant de faire la gravure complète ou partielle de la couche de silicium créant les structures des composants. Les autres étapes du cycle de conception de ce projet ont été réalisées à l’Université Laval et sont décrites en détail dans les chapitres suivants.
Les performances et les étapes du procédé de fabrication par lithographie par faisceau d’élec-trons et par photolithographie ultraviolette sont présentées respectivement dans [29; 30] et [31; 32]. La fabrication par photolithographie UV possède un grand délai d’exécution, mais l’utilisation d’un masque permet un haut débit de production pour la fabrication de multiples puces identiques. À l’inverse, le procédé de lithographie par faisceau d’électron a les
avan-tages d’avoir un délai de fabrication relativement rapide et une résolution élevée, mais cette méthode d’écriture directe est limitée à un faible volume de fabrication seulement convenable pour la recherche et développement. Dans les deux cas, la plateforme de silicium sur isolant (SOI3) standardisée utilisée pour ce projet consite en 220 nm de silicium (Si) déposée sur une
couche d’isolant en dioxyde de silicium (SiO2) d’une épaisseur de 2 µm surnomméeBOX4[33]
(voir Fig. 1.2). Ces deux couches sont situées sur une mince tranche de substrat en silicium. Il est possible de recouvrir la couche supérieure de silicium d’un revêtement en dioxyde de silicium, visant, entre autres, à protéger les stuctures inscrites suite à la lithographie. Tou-tefois, cette étape n’est pas réalisée pour la fabrication de capteur de gaz intégré puisque les guides d’onde doivent être en contact avec l’air pour interagir. Lors de la conception de composants intégrés, il est nécessaire de respecter les contraintes de fabrication provenant des spécifications des procédés et règles de conception fournies par les fonderies. Actuellement, les tailles caractéristiques minimales acceptées par les fonderies pour la photolithographie UV et pour la lithographie par faisceau d’électrons sont respectivement de 150 nm (Advanced Micro Foundry) et 60 nm (Applied Nanotools Inc.).
Figure 1.2 – Section transversale d’une puce en photonique sur silicium (Gauche) Couches de silicium et de dioxyde de silicium de la plateforme silicium sur isolant ; (Centre-gauche) Guide d’onde en ruban fabriqué par gravure complète et recouvert de SiO2; (Centre-droite) Guide d’onde en ruban sans recouvrement, exposé à l’air ; (Droite) Coupleur à réseaux fabriqué par gravure partielle recouvert de SiO2
1.2.1 État de l’art des capteurs optiques intégrés de méthane
Récemment, le développement de capteurs de méthane intégrés en photonique sur silicium a suscité beaucoup d’intérêt des secteurs académique et industriel. Les démonstrations
expéri-3. De l’anglaisSilicon on insulator 4. De l’anglais Buried Oxyde
mentales les plus pertinentes sont les suivantes.
IBM a fait la démonstration d’une plateforme en photonique sur silicium pour la détection par spectroscopie d’absorption du méthane dans le proche infrarouge. C’est la démonstration ayant le niveau de maturation technologique le plus près de la commercialisation, avec tous les éléments du système intégrés [15;34], incluant le milieu de gain laser et le photodétecteur sur puce retournée en matériau III-V [35; 36], une cavité laser accordable, une cellule de méthane scellée pour autocalibration intégrée [37] et des spirales de guide d’onde en ruban de 30 cm. Des algorithmes de traitement de signal ont également été développés pour atténuer les franges d’interférences, qui variant temporellement, dissimulent le signal [38]. Un guide d’onde en ruban opérant avec le mode fondamental transverse magnétiqueTM0 est choisi pour maximiser l’interaction entre la lumière et le méthane par champ évanescent [39]. Toutefois, ce type de guide d’onde offre un facteur d’interaction faible et limité, qui peut être décrit comme le ratio de l’interaction entre la lumière guidée et l’analyte comparé à une propagation en espace libre pour la même distance de propagation. Une limite de détection de ≈20 ppm pour un temps d’intégration de 103 s est atteinte [39] avec ce guide d’onde, suffisante pour
l’application visée de détection de fuites pour l’industrie du gaz naturel [21].
Des chercheurs du MIT ont réussi à faire la détection du méthane par spectroscopie dans le moyen infrarouge (MIR) à une longueur d’onde de λ=3.3 µm avec un guide d’onde en ruban
en verre de chalcogénure et un photodétecteur intégré monolithiquement [40; 41]. L’intérêt de cette approche est que le méthane possède un pic d’absorption fondamental ν3 ayant une
absorption molaire environ 100 fois plus élevée à cette longueur d’onde que pour sa première harmonique 2ν3 dans le proche infrarouge. Toutefois, les méthodes de fabrication pour cette
plateforme de matériau ne sont pas aussi avancées que pour la plateforme de SOI et ne sont
pas offertes commercialement par les fonderies, rendant difficile actuellement la fabrication de masse. Aussi, les pertes de propagation élevées limitent les performances de ce capteur à une limite de détection de 1%.
Une approche autre que la spectroscopie pour la détection sur puce de composants chimiques ou biologiques est basée sur la réfractométrie. Cette méthode consiste à détecter la variation de la longueur d’onde de résonance d’un résonateur optique, correspondant à la variation de l’indice de réfraction du milieu. Puisque l’indice de réfraction varie linéairement avec la concentration de l’analyte, il est possible de mesurer celle-ci. La lacune majeure de cette méthode de détection est le manque de sélectivité de sa réponse ; la réponse du capteur n’est pas spécifique à la présence du méthane car il détecte tout analyte qui fait varier l’indice de réfraction du milieu. Une solution proposée par Dullo et al. [42] consiste à fonctionnaliser la structure résonante, ici un MZI, en recouvrant un des bras d’un composé
(crypthophane-A) qui encapsule et concentre sélectivement le méthane. Une limite de détection de 17 ppm est atteinte. Toutefois, le capteur intégré en nitrure de silicium (Si3N4) proposé n’est pas
De plus, la réponse de ce MZI, comme toute structure résonante, est également sensible aux
variations de température et de pression, ce qui signifie qu’elle n’est pas stable à long terme dû à une dérive et est également sélective à certains autres composants que le méthane (xénon, radon, chlorométhane).
Une limite de détection de 100 ppm de méthane a été mesurée par un capteur intégrant un guide d’onde à fente à cristaux photoniques 2D [43]. Une combinaison de lumière lente et d’une intensité du champ électrique élevée permet d’obtenir un facteur d’interaction élevé, mais les performances du capteur sont limitées par les pertes de propagation importantes dans les cristaux photoniques (ex : 150 dB/cm [44]) et sont susceptibles aux imperfections de fabrication qui désaccordent facilement le point d’opération de la structure [43;45]
Des travaux théoriques ont également étés réalisés sur le sujet. L’optimisation des paramètres de conception du guide d’onde a été réalisée par [46;47], mais seulement pour des guides d’onde en ruban et/ou à fente pour le moyen infrarouge et le proche infrarouge respectivement. De plus, leur figure de mérite pour la conception est basée seulement sur la fraction du champ électrique dans l’air. L’amélioration de l’interaction analyte-lumière par l’indice de groupe du guide d’onde n’est pas prise en compte.
1.3
Spectroscopie d’absorption avec diode laser accordable
Différentes techniques de détection du méthane incluent les techniques spectroscopiques, élec-trochimiques, électriques et autres. L’utilisation de techniques spectroscopiques offre les meilleures performances en termes de sélectivité, sensibilité et limite de détection, mais les instruments actuels sont coûteux, volumineux et énergivores. Les instruments basés sur des techniques élec-trochimiques et électriques sont portables, abordables, simples d’utilisation et compacts, mais sont peu sensibles, ne sont pas sélectifs au méthane et sont enclins à dériver temporellement [22]. Les techniques basées sur la spectroscopie sont la spectroscopie infrarouge non-dispersive, la spectroscopie d’absorption avec diode laser accordable (TDLAS5), la spectrophotométrieet la spectroscopie photoacoustique [21]. Ce travail s’intéresse à développer un capteur de méthane miniature et abordable basé sur la spectroscopie d’absorption avec diode laser accor-dable. La très haute résolution de la technique de TDLAS possède les avantages de pouvoir
mesurer la concentration d’un gaz de façon très sélective, en utilisant une seule raie d’absorp-tion étroite de l’analyte d’intérêt, d’avoir un rapport signal sur bruit élevé et une réponse rapide.
La spectroscopie d’absorption repose sur le principe que les composants chimiques absorbent le rayonnement électromagnétique à certaines longueurs d’onde particulières. En effet, les molécules peuvent absorber ou émettre des photons avec une énergie égale à la différence d’énergie entre leurs niveaux d’énergie seulement si la transition est autorisée par la mécanique
quantique. Chaque composant possède donc sa propre signature de spectre d’absorption, ce qui permet de l’identifier ; et l’absorption est proportionnelle à la concentration du composant chimique, ce qui permet de le quantifier. L’absorption dans la région du rayonnement infrarouge correspond à l’excitation des niveaux d’énergie des transitions rotationnelles et vibrationnelles des molécules en phase gazeuse, qui dépend de l’agencement des atomes dans celles-ci. Les raies d’absorption dans la région du proche infrarouge sont les harmoniques des raies d’absorption fondamentales de l’infrarouge moyen.
Un spectromètre opérant selon la technique de TDLAS par détection directe en espace libre
est formé des composants suivants : diode laser, contrôleur de diode laser, cellule de gaz, photodétecteur, générateur de signal et ordinateur/microcontrôleur (voir Fig. 1.3). La détec-tion directe consiste à balayer en longueur d’onde une seule raie d’absorpdétec-tion. La longueur d’onde d’émission d’une diode laser, habituellement un laser à rétroaction répartie (DFB6), est contrôlée par le contrôleur de diode laser via le courant d’injection qui est modulé par un signal en dent-de-scie provenant d’un générateur de signal. On note que la variation du cou-rant injecté affecte également la puissance de sortie du laser, d’où la modulation d’amplitude résiduelle du signal. Par la suite, le faisceau laser collimé émis se propage sur une certaine distance dans l’air ou à travers une cellule de gaz jusqu’à un photodétecteur. Le signal optique détecté, premièrement converti dans le domaine électrique, est ensuite converti d’analogue à numérique pour être traité et analysé par ordinateur. En soustrayant le signal avec la présence du gaz par un zéro de référence (signal obtenu sans gaz), il est possible de récupérer le spectre d’absorption du gaz. La concentration peut être mesurée en ajustant le spectre d’absorption expérimental au modèle théorique basé sur la loi de Beer-Lambert.
Figure 1.3 – Schéma des composants d’un système de spectroscopie d’absorption avec diode accordable, en espace libre, par détection directe. Le signal obtenu en fonction du courant de la diode est illustré. On note en pointillé la modulation d’amplitude résiduelle.
En optique intégrée, les composants optoélectroniques tels que le laser et les photodétecteurs peuvent être intégrés sur la puce, monolithiquement avec l’électronique pour le contrôle et le traitement du signal. Plutôt que de se propager en espace libre, la lumière est guidée dans un
guide d’onde qui possède la double fonction de transducteur permettant à la lumière d’être en présence du méthane et d’être absorbée aux longueurs d’onde spécifiques, ainsi que de routage pour guider la lumière du laser jusqu’au photodétecteur. La configuration de ces différents composants du système optique pour réaliser un capteur de gaz par TDLAS intégré sur puce
est présentée à la figure1.4. Grâce à la différence élevée d’indice de réfraction entre le silicium et le dioxyde de silicium confinant fortement la lumière, des rayons de courbure de quelques dizaines de micromètres et un espacement entre les guides d’onde de quelques micromètres sont atteignables, permettant des configurations de guide d’onde en spirales compactes. Cela permet d’obtenir une longueur de parcours dans le guide d’onde de quelques centimètres (ex. 10 cm) dans une superficie de moins d’un millimètre carré. Il est également possible d’avoir un parcours optique de référence, exposé à une concentration connue de méthane. La réponse obtenue par le photodétecteur du parcours exposé au méthane atmosphérique est comparée avec la réponse pour le parcours de référence. Cette comparaison sert à s’autocalibrer et mitiger la variation de l’absorption causée par la variation de température, de pression ou de puissance du laser. Ce parcours de référence permet également de centrer la longueur d’onde d’émission du laser accordable sur la raie d’absorption du gaz d’intérêt.
Figure 1.4 – Schéma de la configuration du système optique pour réaliser un capteur de gaz intégré sur puce par spectroscopie d’absorption avec diode accordable
La loi de Beer-Lambert décrit la puissance transmise P du rayonnement électromagnétique,
suite au passage dans un milieu de longueur L ayant un coefficient d’absorption αabs d’un faisceau de lumière ayant une puissance initiale P0. Le coefficient d’absorption du milieu dépend de la concentration C de l’analyte dans le milieu et de l’absorption molaire de
température.
P = P0exp (−αabsL) (1.1)
αabs= C (1.2)
L’absorbance A est la capacité du milieu à absorber la lumière :
A = ln (T ) = ln P P0
= LC (1.3)
où T est la transmission, et P etP0 sont en mW.
Les raies d’absorption du méthane, et de plusieurs autres gaz, peuvent être calculées à partir des données publiques de la base de données HITRAN [48] (voir Fig. 1.5). On note que la bande d’absorption fondamentale ν3 dans l’infrarouge moyen possède un coefficient
d’absorp-tion αabs supérieur de deux ordres de grandeur que pour sa première harmonique 2ν3 dans
le proche infrarouge. Les deux raies d’intérêts utilisées lors de ce projet sont celles situées à
λ=1653.7 nm (bande 2ν3) et λ=3270.4 nm (bande ν3). Les travaux ont en grande partie été
réalisés à la longueur d’onde deλ=1653.7 nm, puisque les lasers, détecteurs, fibres, en autres
équipements nécessaires pour les tests de caractérisations disponibles à cette longueur d’onde sont plus abordables et développés technologiquement que ceux dans l’infrarouge moyen à
λ=3270.4 nm, de par sa proximité avec les bandes de télécommunication optique autour de
1550 nm. La plateforme matérielle de silicium sur isolant est également mieux adaptée pour le proche infrarouge puisque les épaisseurs des couches sont standardisées pour des applications de télécommunication [33]. De plus, le dioxyde de silicium est plus transparent à λ=1653.7
nm qu’à λ=3270.4 nm, ce qui diminue les pertes de propagation par absorption matérielle
[49]. Toutefois, l’utilisation de l’infrarouge moyen a été explorée puisque l’absorption dans cette région spectrale est environ 100 fois plus élevée que dans le proche infrarouge, ce qui est un avantage comparatif très intéressant. Des efforts sont réalisés par différents groupes de recherche pour développer des guides d’onde, des lasers et des détecteurs intégrés dans l’infrarouge moyen sur différentes plateformes de matériaux, en particulier pour des applica-tions de détecapplica-tions par spectroscopie d’absorption puisque cette région possède de nombreuses signatures moléculaires [50;51;52;53;54;55;56].
En choisissant le meilleur type de guide d’onde et en optimisant ses paramètres géométriques, il est ainsi possible de contrôler et d’améliorer ses propriétés optiques. Cela permet d’augmenter les performances de détection à la longueur d’onde d’opération désirée. Ces concepts sont décrits dans la section suivante.
(a)
(b) (c)
Figure 1.5 – Coefficient d’absorption pour le méthane à C=100% (a) dans la région de l’infrarouge ; (b)Autour de λ=1653 nm (bande 2ν3) dans le proche infrarouge ; (c) autour de λ=3270 nm (bande ν3) dans l’infrarouge moyen.
1.4
Guide d’onde
Cette section présente les différents types de guides d’onde étudiés et la théorie décrivant leurs propriétés. Un guide d’onde est une structure physique qui permet de guider les ondes électro-magnétiques (lumière) en les confinant dans un milieu, appelé coeur, sur une certaine distance. Les guides d’onde, formés d’une structure de matériaux diélectriques, sont l’élément de base des systèmes photoniques intégrés. Ils sont un composant essentiel à la spectrométrie intégrée sur puce, où la lumière ne se propage pas en espace libre contrairement aux spectromètres standards, mais est guidée d’une source laser à un photodétecteur. Lors de sa propagation dans le guide d’onde, une fraction de la lumière guidée est située dans le milieu à analyser, ici l’air contenant du méthane, et peut interagir avec celui-ci. Aux longueurs d’onde des pics d’absorption du méthane, la lumière guidée située dans l’air est absorbée. Le guide d’onde joue donc le rôle de routage et de transducteur pour cette application. Le choix approprié du type de guide d’onde et son optimisation visent à augmenter l’interaction de la lumière avec le milieu, afin d’améliorer performances améliorées du capteur.
1.4.1 Types de guides d’onde
Les deux types de guides d’onde étudiés dans ce travail sont les guides d’onde en ruban (voir Fig. 1.6a) et les guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde (Fig.1.6b).
(a) (b)
Figure 1.6 – Vue 3D schématique de la propagation de la lumière dans des guides d’onde intégrés sur puce pour la détection du méthane. (a) Mode fondamental TM0 pour un guide d’onde en ruban et (b) Mode de Bloch fondamental TE0 variant périodiquement selon la direction de propagation pour un guide d’onde sous longueur d’onde
Guide d’onde en ruban
Les guides d’onde en ruban possèdent une section transversale de forme rectangulaire inva-riante dans l’axe de propagation de la lumière, qui y est fortement confinée par réflexion totale interne. Hors du coeur du guide d’onde, une fraction du mode supporté est également pré-sente, sous la forme de champ évanescent. Cette fraction de la lumière est située dans le milieu ambiant, permettant de le sonder. Le chapitre 2étudie l’utilisation de guide d’onde en ruban pour la détection du méthane par spectroscopie.
Guide d’onde en réseaux sous longueur d’onde
Les guides d’onde en réseaux sous longueur d’onde (SWG7) sont composés d’une structure
ayant également une section transversale rectangulaire, mais qui est totalement segmentée de façon périodique dans l’axe de propagation. Ce type de guide d’onde opère en régime sous-longueur d’onde lorsque la période (Λ) entre les différents segments de silicium est de taille
inférieure à la moitié de la longueur d’onde effective, soit inférieure à la période de Bragg. Λ < λ
2nef f (1.4)
Lorsque la période est très inférieure à la période de Bragg, ce guide d’onde opère en régime sous-longueur d’onde profond et agit comme un métamatériau. Dans ce cas, l’indice effectif du guide d’onde SWG est donc semblable à un guide d’onde en ruban ayant un coeur formé
d’un matériau ayant un indice de réfraction artificiel, moyenné selon l’indice de réfraction des deux matériaux qui le composent et les fractions volumiques de ceux-ci. Cette approximation de matématériau n’est plus valide lorsque la période est près de la période de Bragg (près de la bande interdite photonique). Le guide d’onde SWG agit plutôt comme un cristal photonique
dans la région d’opération sous-longueur d’onde près de la bande interdite. Des propriétés intéressantes sont alors présentes, telle qu’une augmentation de l’indice de groupe faisant apparaître le phénomène de lumière lente, qui ont été étudiés et qui sont décrites au chapitres
3,4,5et6.
Guide d’onde à fente
Pour hausser l’interaction lumière-analyte, des guides d’onde à fente ont été proposés et dé-montrés comme plateforme de détection [57; 58; 59; 60]. Pour fabriquer un guide d’onde à fente, une gravure complète de quelques dizaines de nanomètres est effectuée au centre d’un guide d’onde à ruban. Une large fraction du mode est confiné dans la fente, soit dans le milieu d’indice inférieur, grâce à la forte discontinuité du champ électrique à l’interface ayant une grande variation d’indice de réfraction [61]. Néanmoins, cette amélioration de l’interaction est également associée à une hausse de l’intensité du champ électrique sur les parois rugueuses du guide d’onde, et par conséquent à une hausse des pertes de propagation causées par la diffusion. Selon [62], cet inconvénient surpasse les bénéfices apportés par l’amélioration de l’interaction pour les performances du guide d’onde pour la spectroscopie d’absorption.
Guide d’onde à boîtes multiples sous-longueur d’onde
Récemment, un guide d’onde à boîtes multiples sous-longueur d’onde a été démontré pour augmenter la sensibilité d’un réfractomètre [63]. Ce guide d’onde consiste en un guide d’onde à réseaux sous-longueur d’onde ayant de multiples fentes, combinant ainsi les deux principes préalablement démontrés permettant d’augmenter la fraction du mode dans le milieu à sonder. Selon leurs résultats de simulations, les pertes de ce guide d’onde sont toutefois supérieures aux pertes pour un guide d’onde à fente et pour un guide d’onde SWG.
1.4.2 Propriétés modales et pertes de propagation
Les onde électromagnétiques se propagent dans les guides d’onde selon des modes ayant des propriétés qui leur sont propres et qui sont décrites dans cette section. Les concepts de mode, de distribution spatiale, de polarisation, de facteur de remplissage, d’indice effectif, d’indice de groupe et de facteur d’interaction sont abordés. Les différents mécanismes de pertes de propagation sont également revus. Ces propriétés sont d’importance dans la conception et la caractérisation du guide d’onde puisque celles-ci dictent les performances du guide d’onde pour la détection.
Mode
Un mode est une solution des équations de Maxwell qui satisfait les conditions aux limites imposées par le guide d’onde. Physiquement, il n’y a que certaines distributions spatiales du champ électromagnétique qui peuvent se propager dans le guide d’onde. Le nombre de modes supportés et leurs distributions spatiales dépendent des paramètres du guide d’onde (géométrie, indice de réfraction des matériaux) et de la polarisation de l’onde. Puisque la distribution spatiale de chaque mode est différente, chaque mode possède donc des propriétés modales et des pertes de propagation différentes.
Pour les guides d’onde ayant une structure invariante dans l’axe de propagation et un profil d’indice de réfraction 2D rectangulaire, il n’existe pas de solution analytique exacte. Il est possible d’approximer le champ des modes propres et leur indice effectif avec la méthode de l’indice effectif [64;65]. Pour ce projet, la simulation des modes supportés par un guide d’onde en ruban et de leurs propriétés est effectuée avec un solveur commercial de modes propres à différences finies 2D (Mode Solutions, Lumerical), qui calcule le profil spatial et la dépendance en fréquence des modes en résolvant les équations de Maxwell sur une section transversale du guide d’onde.
Dans le cas des guides d’onde sous-longueurs d’onde, la lumière se propage dans le guide d’onde périodiquement segmenté par mode de Bloch [66], ce qui peut être décrit selon le théorème de Bloch [65] qui prend en compte la modulation périodique du milieu. Pour simuler le profil du champ du mode de Bloch et les indices de groupe et effectif du mode supporté, des simulations sont réalisées par méthode de calcul de différences finies en trois dimensions dans le domaine temporel (3D FDTD8). Le domaine de simulation consiste en une cellule unitaire avec des conditions aux limites de Bloch dans la direction de propagation sur une longueur d’une période. Le logiciel commercial FDTD Solutions, Lumerical est utilisé. La structure de bande photonique est calculée à l’aide de cette méthode, permettant d’extraire le vecteur d’ onde de Bloch résonant Kx dans la direction de propagation en fonction de la fréquence angulaire ω. Les détails de cette méthode sont expliqués dans la section3.2.
Indice effectif
L’indice effectif nef f est calculé avec
nef f = c0 vp = c0 Kx(ω) ω (1.5)
où vp est la vitesse de phase, c0 est la vitesse de la lumière dans le vide, Kx est le vecteur d’onde dans la direction de propagation x et ω est la fréquence angulaire. Pour que le mode
soit guidé et confiné, son indice effectif nef f doit être supérieur à l’indice de réfraction du revêtement ou du substrat, et inférieur à l’indice de réfraction du coeur.
Indice de groupe
L’indice de groupe correspond au facteur de ralentissement de la vitesse de groupe de la lumière dans le guide d’onde par rapport à sa vitesse dans le vide. On calcule l’indice de groupe ng (moyenné sur une période pour les guides d’onde périodique [67]) selon
ng = c0 vg = c0 ∂Kx(ω) ∂ω (1.6)
où vg est la vitesse de groupe. On parle de lumière lente lorsque la vitesse de groupe est fortement inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide c0, ce qui correspond à un indice de groupe élevé.
Polarisation
La polarisation de l’onde du mode guidé peut être transverse électrique TE ou transverse magnétique TM. Dans le cas d’un mode TE, il n’y a pas de champ électrique dans la direction de propagation, tandis qu’il n’y a pas de champ magnétique dans la direction de propagation pour le mode TM. Un guide monomode ne soutient qu’un mode TE et/ou un mode TM. Il est à noter que dans un guide 3D réel en photonique intégrée, il n’y a pas de modes purement TE ou TM : dans une description rigoureuse des modes guidés, on parlera plutôt de modes quasi-TE ou quasi-TM selon la direction de la composante principale du champ. En effet, ces modes auront aussi des composantes mineures dans les deux autres axes. Dans le but d’alléger le texte, la mention d’un mode TE ou TM indique respectivement un mode quasi-TE ou quasi-TM. Une métrique pour quantifier la polarisation d’un mode, calculée par MODE, est la fraction de polarisation TE
Fraction polarisation TE = RR |Ey|2dy dz
RR (|Ey|2+ |Ez|2) dy dz (1.7)
où y et z sont les directions dans le sens de la largeur et de la hauteur du guide d’onde res-pectivement. Ey et Ez correspondent aux composants du champ électrique dans les directions
y et z. 0 correspond à un mode purement TM et 1 à un mode purement TE. Facteur de remplissage
Le facteur de remplissagef correspond à la fraction de l’intensité modale qui est présente dans
l’air et interagit avec le méthane [68]. Le facteur de remplissage est de 1 pour une propagation en espace libre et est inférieur pour un mode guidé. Il est défini comme
f = RRR n2|E|2dV air RRR n2|E|2dV total (1.8)
dans le cas d’un guide d’onde périodique, où nest la partie réelle de l’indice de réfraction du
milieu, E est le champ électrique du mode du guide d’onde et V est le volume de la cellule
unitaire. L’intégrale au numérateur est spatialement restreinte à la région de l’air, alors que l’intégrale au dénominateur comprend le volume total de la cellule unitaire, soit la région totale de la simulation. Pour un guide d’onde en ruban, invariant dans la direction de propagation, le calcul est effectué en deux dimensions dans la section transversale du guide.
Facteur d’interaction
Le facteur d’interactionγ, paramètre sans dimension, correspond au rapport entre l’interaction
de la lumière guidée par un guide d’onde et de l’analyte par rapport à l’interaction en espace libre sur la même longueur de propagation. On le définit par
γ = fc0/ncladding vg
= fc0/nair vg
= f · ng (1.9)
où ncladding = nair ≈ 1 est l’indice de réfraction du revêtement, correspondant à l’air dans
le cas étudié. Cette définition peut être obtenue en utilisant la théorie de perturbation [68]. Ce facteur permet de prendre en compte deux phénomènes. Premièrement, l’augmentation de l’interaction causée par le ralentissement de la lumière dû à la structure et au matériau du guide d’onde au travers l’indice de groupe ng. Deuxièmement, la diminution de l’interaction causée par le fait que seulement une fraction du champ électrique du mode guidé est situé dans le milieu à sonder, ici l’air. Ce facteur permet d’adapter la loi de Beer-Lambert (1.1) au domaine de l’optique guidée, ce qui sera réalisé à la prochaine section.
Pertes de propagation
Dans les guides d’onde intégrés en photonique sur silicium, les pertes de propagation αprop sont causées par différents mécanismes [24] et sont toutes dépendantes de la distribution du mode.
— Pertes d’absorption matérielles : Les pertes d’absorption matérielles sont négli-geables pour le silicium qui est transparent d’environ 1 à 10 µm. Les pertes d’absorp-tion matérielles sont également négligeables pour le dioxyde de silicium autour de la longueur d’onde de 1651 nm, mais sont non négligeables à λ=3.27 µm (≈0.8 dB/cm)
[49].
— Pertes de diffusion : Les pertes de diffusion causées par la rugosité des surfaces sont une source importante pertes de propagation. Celles-ci dépendent de la racine carrée moyenne de la rugosité et de la distribution spatiale du champ électrique du mode. La rugosité des parois latérales est plus importante que celle des surfaces du dessus et dessous du guide d’onde. Cela est inhérent au procédé de fabrication : les surfaces de dessous et dessus sont fabriquées par déposition, alors que les parois latérales sont obtenues par gravure. Par conséquent, les pertes de propagation du mode TE0 sont
plus élevées que celle du modeTM0 pour un guide d’onde en ruban, puisque le champ modal de TE0 aux interfaces latérales est plus élevé que pour TM0 [69]. Par ailleurs, un modèle théorique [70] prédit que les pertes de diffusion sont fonction de l’indice de réfraction du coeur et de la gaine du guide d’onde selon (n2
coeur− n2gaine). Il est
également attendu que les pertes causées par la diffusion augmentent de façon linéaire avec l’indice de groupe [71]. Ce type de perte dépend donc fortement des procédés de fabrication, de la conception du guide d’onde et des matériaux.
— Pertes par rétrodiffusion : Les pertes par rétrodiffusion sont particulièrement nui-sibles pour la spectroscopie par absorption. Celles-ci sont également causées par les im-perfections de fabrication, soit la rugosité des parois latérales des guides d’onde [72;73]. En plus de diminuer la puissance du signal à la sortie du guide d’onde, la rétrodiffu-sion crée des franges d’interférence complexes dans le spectre de transmisrétrodiffu-sion [74]. La présence de franges d’interférence, qui sont sensibles à la température et varient donc spectralement en fonction du temps, peut masquer la signature des raies d’absorption du méthane. Cela peut dégrader et limiter de façon importante les performances du sys-tème [75;39]. Ce phénomène s’amplifie lorsque la longueur de propagation augmente [76]. De plus, les pertes par rétrodiffusion augmentent environ quadratiquement avec l’indice de groupe et dépendent également du profil du mode de propagation [72;73;71]. — Pertes par fuite : Les pertes par fuite dans le substrat sont à considérer, particulière-ment pour des guides d’onde exposés à l’air, sans recouvreparticulière-ment. Lorsque la distribution du champ modal n’est pas confinée au-dessus de la couche de BOX en dioxyde de
si-licium, une fraction du champ évanescent fuit par le substrat en silicium d’indice de réfraction supérieur au BOX lors de la propagation du mode. Les pertes par fuite
peuvent être estimées à l’aide de logiciels de simulation de solveur de modes propres en incluant la couche du substrat dans la région de simulation (ex. MODE Solutions, Lumerical) pour le cas de guide d’onde en ruban. Pour les guides d’onde SWG, la méthode de simulation utilisée pour ce projet ne permet pas d’estimer les pertes par fuite. Une règle de conception proposée par [77] indique que les pertes par fuite sont négligeables pour les guides d’onde SWG lorsque l’indice effectif est supérieur à 1.65 pour une épaisseur du BOX de 2 µm.
— Pertes par courbure : Dans un guide d’onde courbé, le mode n’est pas confiné au centre du guide d’onde de façon symétrique comme c’est le cas pour un guide d’onde droit, mais est asymétrique et translaté vers l’extérieur de la courbe. Il y a donc des pertes radiatives lors de sa propagation et des pertes par correspondance de mode à l’interface guide d’onde droit - guide d’onde courbe. Lors de l’étape de la conception, une attention particulière est accordée à déterminer le rayon minimal de courbure où les pertes par courbure sont négligeables. Le rayon minimal dépend du confinement du mode dans le coeur du guide d’onde.
