Des circuits intégrés photoniques pour la détection de gaz

Publié par Redbran le 17/10/2018 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
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La lumière permet de détecter la présence de substances dans un milieu. Des chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies et du Politecnico Di Milano (Italie) ont développé des circuits intégrés photoniques dans le moyen infrarouge, basés sur des guides d'ondes en silicium-germanium. Ces structures permettent de réaliser des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) intégrés, capables de détecter des concentrations de quelques centaines de ppm(1). Ces travaux sont publiés dans la revue Optical Materials Express (Express est un langage informatique servant à spécificier formellement des données....).



© C2N – CNRS/UPSUD
Figure: (a): guides d'onde en alliages SiGe. (b): comparaison entre les pertes du guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) et le spectre d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par...) de la résine utilisée. Les pics d'absorption de la résine à 5,8?; 6,25 et à partir de 6,6 µm sont clairement visibles lors de la mesure de la transmission des guides d'onde.

Dans la gamme spectrale du moyen infrarouge, la spectroscopie permet d'identifier et quantifier efficacement différentes substances chimiques et biologiques. Son exploitation dans diverses applications, en particulier portables, demande des composants compatibles avec cette gamme de longueurs d'onde. Des chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud) et du Politecnico Di Milano développent ainsi des circuits intégrés photoniques dans le moyen infrarouge, basés sur des guides d'ondes en silicium-germanium (SiGe). Ils ont démontré pour la première fois le potentiel de ces structures pour des capteurs intégrés.

Les alliages SiGe offrent un contrôle souple des propriétés du guide, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en bénéficiant de la transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...) du germanium (Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge...) dans le moyen infrarouge. L'utilisation de guides en spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en...) permet d'augmenter la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) d'interactions tout en gardant un dispositif compact. La détection s'opère avec la partie évanescente du mode optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), la partie de l'onde qui se propage le long de la surface extérieure du guide. Elle entre ainsi directement en contact avec l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) à analyser. Comme première preuve de concept, les chercheurs ont réussi à détecter les raies spécifiques d'absorption entre 5,8 et 6,2 µm d'une résine déposée sur les guides en alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) SiGe. Les résultats obtenus ont montré que ces composants devraient permettre la détection du méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...) à des concentrations de quelques centaines de ppm, soit des quantités inférieures à la limite d'exposition professionnelle recommandée par les normes environnementales internationales.

Ces travaux ont bénéficié d'une bourse ERC Starting Grant INSPIRE et de la plateforme RENATECH du C2N.

Notes:
(1) ppm: parties par million, 1ppm = 1 mg/kg.
(2) RENATECH: réseau national des grandes centrales de micro-nanofabrication.


Références publication:
Mid-infrared sensing between 5.2 and 6.6 μm wavelengths using Ge-rich SiGe waveguides,
Q. Liu, J. Manel Ramirez, V. Vakarin, X. Le Roux, A. Ballabio, J. Frigerio, D. Chrastina, G. Isella, D. Bouville, L. Vivien, C. Alonso Ramos, D. Marris-Morini,
Optical Materials Express, 8 (5), 1305 (2018)

Contact chercheuse:
Delphine Marris-Morini - C2N
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