Une mesure ultra sensible de l'indice de réfraction sur un large spectre
Des scientifiques du LAAS-CNRS ont conçu et fabriqué un capteur optique intégré qui mesure l'indice de réfraction du milieu environnant avec une très haute sensibilité sur un large spectre de longueurs d'onde. Ce résultat inédit ouvre une voie nouvelle pour réaliser des réfractomètres intégrés ultrasensibles pour la détection d'espèces chimiques, avec des applications potentielles dans la surveillance de l'environnement et de nombreux procédés industriels.
La mesure d'indices de réfraction, à l'aide d'un réfractomètre, permet de déterminer la concentration d'espèces chimiques dans l'air, ou dans des liquides pour des procédés industriels chimiques, pharmaceutiques ou agro-alimentaires. Pour obtenir des réfractomètres compacts, il est intéressant de réaliser le dispositif de mesure sous la forme d'un capteur optique intégré sur puce. C'est ce que propose une équipe du LAAS-CNRS1 , avec une technologie originale et des performances inédites : le nouveau capteur intégré affiche une sensibilité très élevée, au niveau de l'état de l'art, et qui reste relativement constante sur un large spectre de longueurs d'onde. Ces résultats ont été publiés dans la revue Photonics Research.
Le réfractomètre intégré du LAAS-CNRS est basé sur un réseau de diffraction, et plus précisément sur un réseau à longue période (Long Period Grating, LPG). Un LPG est une structure périodique qui réalise le couplage, c'est-à-dire l'échange d'énergie progressif, entre différents modes de propagation de l'onde qui s'y propage, avec dans ce cas particulier une période très supérieure à la longueur d'onde utilisée (l'expérimentation a été réalisée avec un LPG d’une période de 77 microns environ).
Jusqu'ici, les meilleurs réfractomètres intégrés à base de LPG n'affichaient une haute performance que sur une bande étroite de longueur d'onde : la sensibilité chutait rapidement en dehors de cette bande spectrale. Le dispositif du LAAS-CNRS affiche une très grande sensibilité (> 10 000 nm/unité d'indice), tout en restant constante sur une plage d'au moins 100 nm. Les scientifiques ont aussi mis en évidence un autre avantage du nouveau capteur : les résultats de mesure sont très peu sensibles aux variations de température (environ 0,15 nm/K).
Ces performances ont été obtenues grâce à une nouvelle méthode de conception et d'optimisation du réseau intégré à longue période. Le modèle proposé par les chercheurs permet d'assurer un contrôle des paramètres de propagation et de couplage des modes optiques. La structure du capteur est constituée d'un guide d'onde en nitrure de silicium sur un substrat d'oxyde de silicium. Le cœur du guide forme un ''ruban'' dont la largeur est modulée de manière sinusoïdale (voir la figure). Le dispositif intégré a été fabriqué par des techniques classiques de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) et de lithographie électronique.
Les chercheurs ont appliqué leurs capteurs optiques intégrés à la mesure de concentrations d'espèces chimiques et à la détection de CO2. Une demande de brevet a été déposée. Des études par simulation suggèrent que des structures de ce type pourraient permettre d’obtenir des sensibilités encore plus élevées (d'un facteur 10).
© Images de Photonics Research open access
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Références
High-sensitivity integrated SiN rib-waveguide long period grating refractometer
Clement Deleau, Han Cheng Seat, Olivier Bernal, and Frederic Surre
Photonics Research Vol. 10, Issue 2, pp. 564-573 (2022)
https://doi.org/10.1364/PRJ.444825
- 1En collaboration avec la James Watt School of Engineering de l’université de Glasgow