Development of a chalcogenide optical integrated platform for sensing applications in the Mid-IR
Développement d'une plateforme en optique intégrée en verres de chalcogénure pour des applications capteur pour le moyen infrarouge (OPTIMR)
Résumé
The mid-infrared is a spectral range (2-20 µ m) of great scientific and technological interest. Indeed, the strong vibrational absorption bands of numerous molecules overlap this wavelength range. Thus, the mid-infrared has become in the last years a suitable solution for chemical sensing applications in gas or liquid phase. Furthermore, on-chip sensors provide several advantages over other kind of sensors, such as high integration of elements in a compact device and low fabrication cost by an easy-going to mass production. They could allow quantitative, sensitive and selective detection for health, defense and environmental applications. This thesis presents the design, fabrication and optical characterization at 7.7 µ m of a spectroscopic optical integrated sensor based on chalcogenide glasses. Ge-Sb-Se multilayered structures were deposited by RF magnetron sputtering. Using i-line photolithography and fluorine-based reactive ion etching (RIE-ICP), ridge waveguides were processed as straight waveguide, Y-junction, spiral and S-shape waveguides. Single-mode optical propagation at 7.7 µ m was observed by optical near-field imaging and optical propagation losses of 2.5 dB/cm were measured. Finally, chemical substances in liquid phase (isopropanol - and acetic acid, both dissolved in cyclohexane) were detected at 7.7 µ m by evanescent field. Limits of detection of 2 %v/v and 0.2 %v/v are demonstrated, respectively, for isopropanol and acetic acid. Furthermore, simulations were performed to assess the potential of the optical integrated sensor to achieve limits of detection lower than environmental and health standards for air and water pollutants. These results represent a first promising step towards the development of mid-infrared applications at the Foton laboratory.
Le moyen infrarouge est la région spectrale comprise entre 2 et 20 µm. Cette gamme de longueurs d'onde présente un fort intérêt scientifique grâce à la présence des transitions vibrationnelles fondamentales caractéristiques d'espèces moléculaires en phase liquide ou gazeuse. Les capteurs en optique intégrée sont devenus une excellente alternative pour la détection in situ car ils présentent certains avantages sur les autres types de capteurs, tels que l'intégration des éléments dans un dispositif compact. Ils sont capables d'effectuer des détections sélectives et quantitative dans divers domaines sociétaux tels que la santé, la défense et l'environnement. Dans cette thèse, nous présentons la conception, la fabrication et la caractérisation à 7.7 µm d'un transducteur spectroscopique intégré à base de verres de chalcogénures. Des couches à base de Ge-Sb-Se ont été déposées par pulvérisation cathodique RF magnétron. Des guides d'onde de type ridge ont ensuite été mise en forme, par photolithographie et gravure sèche (gravure ionique réactive) avec un plasma de CHF3. Différentes structures ont ainsi pu être réalisées : guides droits, jonctions Y, guide en spirale ou encore guides en S. En outre, la propagation guidée a été observé à 7.7 µm et des pertes de propagation égales à 2.5 dB/cm ont été mesurées à cette longueur d'onde. Enfin, des substances chimiques en phase liquide (isopropanol et acide acétique dissous dans du cyclohexane) ont été détectées par onde évanescente. Des limites de détection égales à 2 %v/v et 0.2 %v/v ont été, respectivement, démontrées à 7.7 µm pour l'isopropanol et l'acide acétique. Enfin, des simulations ont démontré le potentiel de ce capteur intégré pour la détection de substances polluantes contenues dans l'eau ou dans l'air avec des limites de détection inférieures à celles imposées par les normes internationales de l'environnement. L'ensemble de ces résultats représente une première étape prometteuse vers le développement d'applications dans le moyen Infrarouge au sein du laboratoire Foton.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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