Des circuits intégrés photoniques pour la détection de gaz
La lumière permet de détecter la présence de substances dans un milieu. Des chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies et de l'École polytechnique de Milan ont développé des circuits intégrés photoniques dans le moyen infrarouge, basés sur des guides d’ondes en silicium-germanium. Ces structures permettent de réaliser des capteurs intégrés, capables de détecter des concentrations de quelques centaines de ppm. Ces travaux sont publiés dans la revue Optical Materials Express.
Dans la gamme spectrale du moyen infrarouge, la spectroscopie permet d’identifier et quantifier efficacement différentes substances chimiques et biologiques. Son exploitation dans diverses applications, en particulier portables, demande des composants compatibles avec cette gamme de longueurs d’onde. Des chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud) et de l'École polytechnique de Milan développent ainsi des circuits intégrés photoniques dans le moyen infrarouge, basés sur des guides d’ondes en silicium-germanium (SiGe). Ils ont démontré pour la première fois le potentiel de ces structures pour des capteurs intégrés.
Les alliages SiGe offrent un contrôle souple des propriétés du guide, tout en bénéficiant de la transparence du germanium dans le moyen infrarouge. L’utilisation de guides en spirale permet d’augmenter la surface d’interactions tout en gardant un dispositif compact. La détection s’opère avec la partie évanescente du mode optique, la partie de l’onde qui se propage le long de la surface extérieure du guide. Elle entre ainsi directement en contact avec l’environnement à analyser. Comme première preuve de concept, les chercheurs ont réussi à détecter les raies spécifiques d’absorption entre 5,8 et 6,2 µm d’une résine déposée sur les guides en alliage SiGe. Les résultats obtenus ont montré que ces composants devraient permettre la détection du méthane à des concentrations de quelques centaines de ppm1
, soit des quantités inférieures à la limite d’exposition professionnelle recommandée par les normes environnementales internationales.
Ces travaux ont bénéficié d’une bourse ERC Starting Grant INSPIRE et de la plateforme RENATECH2
du C2N.
Figure : (a) : guides d’onde en alliages SiGe. (b) : comparaison entre les pertes du guide d’onde et le spectre d’absorption de la résine utilisée. Les pics d’absorption de la résine à 5,8?; 6,25 et à partir de 6,6 µm sont clairement visibles lors de la mesure de la transmission des guides d’onde.
Références :
Mid-infrared sensing between 5.2 and 6.6 μm wavelengths using Ge-rich SiGe waveguides,
Q. Liu, J. Manel Ramirez, V. Vakarin, X. Le Roux, A. Ballabio, J. Frigerio, D. Chrastina, G. Isella, D. Bouville, L. Vivien, C. Alonso Ramos, D. Marris-Morini,
Optical Materials Express, 8 (5), 1305 (2018)
DOI : https://doi.org/10.1364/OME.8.001305