Article du site CORDIS de la Commission Européenne, à propos du projet ERC Starting Grant « Chip-scale INtegrated Photonics for the mid-Infra REd » (INsPIRE), piloté par Delphine Marris-Morini, Professeure de l’Université Paris-Saclay au C2N, qui s’est achevé en Mars 2020. / © European Union, [2020], Source: CORDIS, cordis.europa.eu

Les spectromètres opérant dans l’infrarouge moyen (MIR) sont très répandus dans les laboratoires pour identifier les substances biologiques, chimiques et physiques. Des recherches financées par l’UE ouvrent la voie à un système compact, portable et rentable pour une utilisation sur le terrain et des applications potentielles allant de la surveillance de l’environnement à la sécurité alimentaire en passant par les diagnostics médicaux précoces.

La technologie de l’intégration photonique dans les puces de silicium a énormément évolué, les progrès les plus importants ayant sans doute été accomplis dans les secteurs des télécommunications et des technologies de l’information. Le projet INsPIRE, financé par le Conseil européen de la recherche (CER), a donné une toute nouvelle orientation à cette technologie avec l’intégration de composants MIR sur un circuit photonique pour un système d’identification efficace et portable de molécules telles que les agents pathogènes présents dans l’air, les aliments et les échantillons médicaux.

Un ensemble unique de fonctions optiques intégrées à large bande spectrale

Les méthodes spectroscopiques exploitent l’absorption et la réflexion de la lumière par la matière, en extrayant des signatures spectrales permettant d’identifier les matériaux présents en fonction de leurs spectres caractéristiques. Dans la gamme spectrale du MIR (région spectrale appelée «fingerprint region» en anglais, entre 2,5 et 10 µm de longueur d’onde), les différents éléments ont des absorptions spécifiques associées aux vibrations et rotations des molécules. Les longueurs d’onde associées à ces raies d’absorptions sont spécifiques à chaque molécule présente.

Dans le projet INsPIRE une nouvelle plateforme photonique intégrée sur silicium riche en germanium a été développée. Comme l’explique Delphine Marris-Morini, «cette plateforme exploite les avantages de la technologie photonique sur silicium, notamment sa maturité, ses capacités de fabrication à grande échelle et le fort confinement de la lumière. Elle tire également parti de la large plage de transparence du germanium qui s’étend jusqu’à 15 µm. En comparaison, la silice n’est transparente que jusqu’à 3,8 µm et le silicium jusqu’à 8 µm». L’utilisation d’un circuit intégré compact permet la réalisation de systèmes spectroscopiques qui tiennent sur le bout du doigt.

Vous avez réclamé une révolution

Dans le cadre d’INsPIRE les propriétés optiques de la plateforme envisagée ont été évaluées, et un nouvel ensemble de fonctions optiques a été développé. Au moment de s’aventurer en terrain inconnu, Delphine Marris-Morini se souvient: «Nous nous sommes rendu compte que l’équipement dont nous avions besoin pour tester nos dispositifs MIR était beaucoup moins développé que pour les longueurs d’onde du proche infrarouge, où les applications de télécommunications ont stimulé l’innovation. Nous avons dû construire notre propre rotateur de polarisation à large bande et nous avons souvent acheté des prototypes ou des dispositifs qui venaient d’être commercialisés.»

Au bout du compte, l’équipe a véritablement changé le monde de la spectroscopie MIR, une évolution qui a donné lieu à plusieurs premières mondiales avec des structures résonantes fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde des 8 µm (voir figure 1, 2 et 3 ci-dessus) : des résonateurs intégrés de type Fabry-Perot utilisant des miroirs à réseaux de Bragg (Q. Liu et al., Optics Express, 2018), des résonateurs en anneaux intégrés à large bande (J. Ramirez et al, Optics Letters, 2019) et un spectromètre MIR à transformée de Fourier à large bande et à haute résolution en silicium-germanium (M. Montesinos-Ballester et al., Scientific Reports, 2019). Bien que le développement de modulateurs optiques MIR n’avait pas été prévu au début du projet, l’équipe a décroché un autre record : la première modulation optique dans un circuit photonique fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde comprise entre 5,5 et 11 µm (M. Montesinos-Ballester et al., pre-print, 2019).

Delphine Marris-Morini résume: «En repoussant les limites du champ des possibles, nous avons construit des spectromètres à haute résolution sur puce, opérant sur une très grande plage de longueur d’onde, dont le circuit occupe une surface inférieure à un centimètre carré.» Cette technologie ouvre la voie à des capteurs portables et peu coûteux, pour des applications allant de la surveillance environnementale en temps réel des polluants à la sécurité alimentaire, en passant par les diagnostics médicaux précoces.

• Contact : Delphine Marris-Morini
• A lire aussi sur le site web de CORDIS : "Des années-lumière d’avance: Les projets de recherche et d’innovation de l’UE montrent comment la photonique va façonner l’avenir"

 

Figure : Une photonique MIR intégrée pour une application à grande échelle / Crédits : C2N