Position de doctorat : Modulateurs électro-optiques et photodétecteurs intégrés dans le domaine spectral moyen IR.

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 plage de longueurs d’onde dans l’IR moyen, et une large gamme de blocs de construction passifs, notamment des interféromètres Mach Zehnder ou des résonateurs intégrés, ont été obtenus. 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, et la réalisation de dispositifs optoélectroniques (modulateur et photodétecteur) ont récemment complété la plateforme photonique. Pour l’instant les performances du modulateur et du photodétecteur sont limitées par rapport aux dispositifs fonctionnant dans le proche infrarouge, notamment le taux d’extinction du modulateur. Cela vient d’un compromis entre la perte du modulateur et l’efficacité des dispositifs basés sur Schottky ou basés sur PIN développés jusqu’à présent.

Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de développer un modulateur et un photodétecteur intégrés de haute performance, fonctionnant dans une large gamme spectrale dans l’infrarouge moyen, typiquement de 5 à 12 µm de longueur d’onde.

Différentes stratégies seront utilisées, notamment le réglage du confinement électrique et optique dans le modulateur, le développement d’une nouvelle architecture de diode, ainsi que la conception appropriée de l’accès RF.

L’activité de recherche comprendra :

– Modélisation des dispositifs photoniques (simulation optique, électro-optique à l’aide de logiciels disponibles dans le commerce et développement d’interfaces de code (python/matlab)

– Conception et fabrication des appareils en salle blanche interne

– Caractérisations expérimentales des dispositifs, à l’aide d’un banc optique moyen IR déjà développé dans le groupe

Le travail est réalisé dans le cadre du projet EU ERC Electrophot (2023-2028), en collaboration avec Politecnico Di Milano.