Post-doctorat : Spectromètre double peigne sur puce

            La spectroscopie infrarouge moyen (IR moyen) est un moyen presque universel d’identifier des substances chimiques et biologiques et d’effectuer des diagnostics non intrusifs. En effet, le domaine spectral moyen IR contient la région dite « d’empreinte digitale » (longueur d’onde de 6 à 15 µm) dans laquelle la plupart des molécules ont des résonances vibrationnelles et rotationnelles. Cette gamme de longueurs d’onde peut donc être exploitée pour détecter de petites traces de substances dangereuses et toxiques pour l’environnement pour diverses applications, notamment la défense, la sécurité et la surveillance industrielle. Une tâche difficile consiste à rendre la spectroscopie infrarouge moyen accessible dans les zones reculées, en favorisant le développement de solutions compactes et rentables pour remplacer les systèmes de table .

            Le développement de circuits photoniques dans le moyen IR a ainsi bénéficié d’un regain d’activité de recherche ces dernières années. Différentes solutions sont explorées pour le développement d’une plateforme intégrée de détection infrarouge moyen. Parmi eux, la photonique au silicium (Si) peut avoir un impact majeur sur le développement de la photonique infrarouge moyen en tirant parti des technologies de fabrication fiables et en grand volume déjà développées pour les circuits intégrés microélectroniques . Point clé pour la spectroscopie optique et la détection moléculaire, les fonctions optiques qui seront développées à l’aide de circuits photoniques en Si devraient offrir la capacité de récupérer le spectre d’un faisceau lumineux après interaction avec la substance à analyser , d’en détecter la présence et de quantifier sa présence. concentration des composés moléculaires.

            La photonique Ge-rich SiGe a été développée dans notre groupe ces dernières années, en étroite collaboration avec Politecnico Di Milano. Il a été démontré que le guide d’ondes SiGe à indice gradué peut être utilisé dans une large gamme de longueurs d’onde dans l’IR moyen, et une large gamme de blocs de construction passifs, notamment des interféromètres Mach Zehnder [1] ou des résonateurs intégrés, ont été obtenus [2] . Ensuite, la démonstration d’une source optique à large bande passante sur puce basée sur les effets optiques non linéaires des guides d’ondes SiGe[3], et la réalisation de dispositifs optoélectroniques (modulateur et photodétecteur) [4,5] complètent la plateforme photonique.

            Dans ce contexte, l’objectif du post-doctorat est de développer pour la première fois un spectromètre double peigne sur puce basé sur des circuits photoniques SiGe dans le moyen IR. Le battement des deux peignes de fréquence sera détecté et observé dans le domaine RF, ciblant la spectroscopie avec une résolution inférieure au MHz. Différentes solutions seront étudiées pour la source de peigne de fréquence, basée soit sur une génération de peigne de fréquence non linéaire, soit sur une base électro-optique. L’opportunité de développer une version avancée du démonstrateur incluant l’intégration de la partie détection et la détection sur puce sera évaluée.

L’activité de recherche comprendra :

– Etudes théoriques, conception et modélisation du dispositif

– Conception et fabrication des appareils en salle blanche interne

– Caractérisations expérimentales des dispositifs, à l’aide de bancs optiques moyen IR déjà développés dans le groupe

Le travail est réalisé dans le cadre du projet ERC Electrophot (2023-2028), en collaboration avec le laboratoire L-Ness (Politecnico di Milano)

Les références

[1] M. Montesinos-Ballester, V. Vakarin, Q. Liu, X. Le Roux, J. Frigerio, A. Ballabio, A. Barzaghi, C. Alonso-Ramos, L. Vivien, G. Isella, D. Marris-Morini, guides d’ondes et interféromètres SiGe gradués riches en Ge d’une plage de longueurs d’onde de 5 à 11 μm, Optics Express, 28 (9), 12771 (2020). https://doi.org/10.1364/OE.391464

[2] JM. Ramirez, Q. Liu, V. Vakarin, X. Le Roux, J. Frigerio, A. Ballabio, C. Alonso Ramos, E. Talamas Simola, L. Vivien, G. Isella, D. Marris-Morini, Hippodrome intégré haut débit résonateurs en anneau pour la photonique infrarouge à ondes longues, Optics Letters, 44 (2), 407 (2019). https://doi.org/10.1364/OL.44.000407

[3] M. Montesinos-Ballester, C. Lafforgue, J. Frigerio, A. Ballabio, V. Vakarin, Q. Liu, JM Ramirez, X. Le Roux, D. Bouville, A. Barzaghi, C. Alonso-Ramos , L. Vivien, G. Isella et D. Marris-Morini, Génération de supercontinuum infrarouge moyen sur puce de 3 à 13 μm de longueur d’onde, ACS Photonics, 7, 3423-3429, (2020) https://dx.doi .org/10.1021/acsphotonics.0c01232

[4] THN Nguyen, N. Koompai, V. Turpaud, M. Montesinos-Ballester, J. Peltier, J Frigerio, A. Ballabio, R. Giani, JR. Coudevylle, C. Villebasse, D. Bouville, C. Alonso-Ramos, L. Vivien, G. Isella, D. Marris-Morini, modulateur électro-optique silicium-germanium 1 GHz dans la gamme de longueurs d’onde 5-9 μm, Optics Express , 30, (26), 47093 (2022). https://doi.org/10.1364/OE.476164

[5] THN Nguyen, N. Koompai, V. Turpaud, M. Montesinos-Ballester, J Frigerio, S. Calcaterra, A. Ballabio, X. Le Roux, JR. Coudevylle, C. Villebasse, D. Bouville, C. Alonso-Ramos, L. Vivien, G. Isella, D. Marris-Morini, Photodétecteur intégré à température ambiante entre 5 µm et 8 µm de longueur d’onde, Advanced Photonics Research, 2200237 (2022) http://doi.org/10.1002/adpr.202200237