Une source laser supercontinuum intégrée pour détecter des composés chimiques et biologiques
Un consortium franco-australien1 comprenant une équipe de l'Institut des nanotechnologies de Lyon et du CEA-LETI a réalisé une source supercontinuum sur puce dans le moyen infra-rouge (3 µm à 8 µm), qui pourrait détecter une large gamme de molécules. Le dispositif, compatible avec les technologies de fabrication de masse de l'industrie microélectronique, a donné lieu à une publication dans la revue Optica.
- 1Composé de l’Institut des nanotechnologies de Lyon, du CEA-LETI, de l’Australian National University, de RMIT University et Swinburne University, rassemblés sous la bannière du LIA ALPhFA2 (International Associated Laboratory in Photonics between France and Australia).
Toutes les molécules chimiques ou biologiques ont une signature spectrale spécifique dans le moyen-infrarouge (entre 3 µm et 20 µm). Disposer de sources lumineuses émettant dans ce spectre, compactes et peu coûteuses, permettrait de développer de nombreuses applications, dans les secteurs de l'environnement et de l'industrie (la détection de gaz dans l'air) comme dans celui de la santé, par exemple pour le diagnostic précoce du cancer. Des chercheurs de l'Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/École Centrale Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard/ESCPEL), dans le cadre d'un consortium franco-australien, ont franchi une étape importante dans ce sens en créant une source « supercontinuum » intégrée, qui émet entre 3 µm et 8,5 µm, avec une puissance suffisante (10 mW) pour les applications envisagées. La technologie utilisée est compatible avec les procédés CMOS déjà utilisés pour la production de masse en microélectronique.
La source supercontinuum résulte de l'élargissement du spectre d'un faisceau laser à impulsions ultra-courtes (laser femtosecondes), au moyen d'un guide d'ondes fortement non-linéaire et intégré sur une puce. Pour réaliser cette puce, les chercheurs ont utilisé une technologie en silicium-germanium sur un substrat en silicium (SiGe/Si). Le spectre d'émission a pu être étendu jusqu'à 8,5 µm, une première avec un procédé compatible CMOS. Les faibles pertes dans le dispositif ont permis d'atteindre une puissance de sortie supérieure à 10 mW, bien plus élevée que celle obtenue jusqu'ici avec ce type de dispositif.
Forts de ces résultats, les chercheurs travaillent maintenant sur l'étape suivante : l'intégration sur une seule puce de la source laser femtosecondes et du guide d'ondes assurant l'élargissement du spectre. À plus long terme, il faudra ensuite intégrer l'électronique permettant de réaliser un capteur complet sur une puce. Les utilisations potentielles sont nombreuses, dans la surveillance de l'environnement, la santé et l'industrie.
Spectre expérimental de la source supercontinuum moyen infra-rouge intégrée
Références :
Mid-infrared octave spanning supercontinuum generation to 8.5 μm in silicon-germanium waveguides
M. Sinobad, C. Monat, B. Luther-davies, P. Ma, S. Madden, D. J. Moss, A. Mitchell, D. Allioux, R. Orobtchouk, S. Boutami, J.-M. Hartmann, J.-M. Fedeli, and C. Grillet
Optica Vol. 5, Issue 4, pp. 360-366 (2018)
DOI: 10.1364/OPTICA.5.000360