Optimisation du transducteur intégré pour la détection de molécules dans le MIR

Généralités sur les Capteurs

Les capteurs sont des dispositifs qui convertissent des stimuli externes (variable physique ou chimique) en un signal adéquat à leur traitement, généralement en un  signal électrique (figure 1.1). Les domaines d’application des capteurs sont aussi nombreux que variés, parmi lesquels nous pouvons citer la santé, l’environnement, le contrôle de qualité des aliments, les communications optiques, les applications domestiques ou la défense. La tendance est de fabriquer des capteurs qui présentent des dimensions de plus en plus compactes et des dispositifs portables, permettant d’effectuer une mesure sélective avec une sensibilité élevée et une grande résolution [11]. L’élément actif d’un capteur est le transducteur, qui convertit le mesurande (variable physique) en indication (mesure ou détection).

De nos jours, la croissance mondiale du marché des capteurs est estimée autour de 8-9% concernant toutes les technologies. Les biocapteurs présentent une tendance supérieure à la moyenne d’environ 12.5%. Selon la nature du phénomène à détecter, il existe des capteurs biologiques, chimiques et physiques. Pratiquement tous les capteurs biologiques sont ciblés sur les transformations biochimiques et sur les effets dépendants des processus de microrganismes. Les capteurs chimiques répondent aux stimuli causés par des transformations ou par des recompositions atomiques de la matière. Les capteurs physiques détectent des changements de l’état de la matière sans que sa structure moléculaire ne soit modifiée. Parmi la vaste gamme de capteurs physiques, il est possible de citer quelques exemples : électriques, thermiques, magnétiques et optiques. Dans ce travail de thèse, nous ciblerons plus particulièrement les capteurs optiques. Dans la suite du chapitre, diverses techniques de détection optique seront donc présentées.

Capteurs optiques

Au cours des vingt dernières années, l’industrie optoélectronique et des communications optiques a connu un développement très rapide et qui a facilité l’émergence de dispositifs tels que les scanners de code à barres, les imprimantes laser, les disques compacts et les pointeurs laser dans notre vie quotidienne (figure 1.2a). Cette révolution technologique a été rendue possible en grande partie grâce aux capteurs optiques et à leur compatibilité avec les instruments électroniques [12]. Quelle que soit la variable physique à détecter ou la complexité du système, tous les capteurs optiques sont composés d’une source lumineuse, d’éléments optiques (lentilles, miroirs, prismes, …) et de photodétecteurs (figure 1.2b).

Les diverses techniques de détection optique rapportées récemment dans la littérature opèrent sur une large gamme de paramètres mesurables. Aussi, nous allons présenter dans la suite, une compilation non-exhaustive de ces techniques en classant les transducteurs optiques en deux catégories, suivant les méthodes de détection : l’une réfractométrique et l’autre spectroscopique. La dernière partie de cette section est consacrée aux phénomènes physiques permettant d’exalter la détection optique.

Méthodes réfractométriques

Lorsqu’un faisceau de lumière se propage d’un milieu homogène et transparent dans un autre, la direction de propagation changera en raison des propriétés optiques des milieux (figure 1.3). Ce phénomène est appelé réfraction.

Le phénomène de réfraction est déterminé par les indices de réfraction des deux milieux, qui représentent le rapport entre la vitesse de la lumière se propageant dans le vide et la vitesse de la lumière dans les milieux considérés. Les techniques réfractométriques sont donc associées à la variation de l’indice de réfraction induite par le mesurande.

Dans ce qui suit, nous allons présenter quelques techniques de détection optique basées sur la réfractométrie.

Ellipsométrie et polarimétrie
L’ellipsométrie est une technique réfractométrique qui étudie le caractère vectoriel du champ électromagnétique. Essentiellement, cette technique mesure la variation de l’état de polarisation de la lumière après réflexion sur la surface d’un échantillon. Lorsqu’un faisceau de lumière polarisée atteint une surface, il est réfléchi et voit sa polarisation modifiée. Cette modification dépend des propriétés structurales et optiques du milieu (figure 1.4). L’analyse du changement de polarisation permet de remonter aux propriétés optiques du milieu.

L’ellipsométrie est essentiellement utilisée pour déterminer l’indice de réfraction et l’épaisseur d’un matériau lorsqu’il est déposé en couche mince sur un substrat à partir de la mesure de l’état de polarisation [16]. Typiquement l’ellipsométrie permet d’atteindre des limites de détection de 10−3 RIU (Refractive Index Unit) et de 0.1 nm, pour la mesure de l’indice de réfraction et de l’épaisseur d’une couche mince respectivement.

Cette technique peut également être employée pour la détection de gaz permettant de surveiller les vapeurs de solutions volatiles de l’ordre du ppm. Dans ce cas, le principe est de mesurer la variation de l’indice de réfraction donnée par l’effet de condensation capillaire et de l’absorption de surface, en utilisant une couche d’un matériau poreux [19]. Une autre application des capteurs ellipsométriques, est celle de la détermination de l’expansion thermique en temps réel, à partir de la mesure de l’épaisseur d’une couche étudiée. Des variations de température égales à 0.25 ◦C qui induisent des expansions thermiques de l’ordre de 295 nm, ont été démontrées pour des couches minces de benzocyclobutène.

Les capteurs optiques à onde évanescente sont réalisés en utilisant des fibres optiques effilées, des plateaux ATR ou des guides d’onde en optique intégrée [31 35]. Notamment, les capteurs bio-chimiques représentent l’application la plus courante utilisant cette méthode de transduction. Ainsi, l’interaction bio-moléculaire est effectuée entre le milieu à détecter (superstrat) et le milieu guidant, ce qui modifie les propriétés de la lumière transmise, notamment sa puissance du fait par exemple des propriétés d’absorption de molécules à détecter.

Méthodes spectroscopiques

La spectroscopie est l’étude des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou diffusés par la matière. Les techniques spectroscopiques permettent de sonder la matière en fonction de la longueur d’onde, pour en déduire des informations sur la structure des molécules qui composent cette matière. Notamment, la spectroscopie infrarouge est une technique basée sur les vibrations des liaisons des atomes d’une molécule. Un spectre est obtenu en faisant passer un rayonnement infrarouge à travers un échantillon et en déterminant quelle fraction du rayonnement incident est absorbée à une énergie particulière (figure 1.10). L’énergie à laquelle un pic dans le spectre d’absorption apparaît correspond à la fréquence de vibration de la substance testée.

Cette technique est devenue l’une des techniques d’analyse les plus importantes dont disposent les scientifiques actuellement. Un des grands avantages de la spectroscopie infrarouge est que pratiquement toute substance peut être examinée avec une technique d’échantillonnage très sélective quel que soit sa longueur d’onde ou son état physique (liquides, solutions, poudres, sous forme de couches, fibres, gaz et surfaces) [38, 39]. Cette section a donc pour objectif de présenter quelques méthodes spectroscopiques qui sont utilisées pour la détection optique.

Luminescence 

Le terme de luminescence fait référence à l’émission d’un rayonnement électromagnétique d’origine non thermique. Certaines substances présentent en effet cette propriété de restituer, sous la forme de photons (visible, proche ultraviolet ou infrarouge), une partie de l’énergie qu’elles ont absorbée suite à une excitation qui peut être d’origine chimique, électrique ou autre. Ces photons se trouvent en excès par rapport à l’émission thermique classiquement associée à la température de la substance.

Le diagramme de Jablonski représente les niveaux d’énergie et les spectres de différents types de luminescence (figure 1.11). Sur cette figure il est d’abord représenté l’effet d’absorption (violet et bleu), suivi des transitions radiatives qui se produisent par émission d’un photon (vert pour la fluorescence et rouge pour la phosphorescence). Les flèches pointillées représentent les transitions non radiatives. Le processus de luminescence peut être optimisé pour la conception de capteurs optiques. Ces types de capteurs utilisent la détection avec marquage, pour laquelle  les molécules cibles sont repérées grâce à une interaction avec les molécules nommées marqueurs. La transduction est réalisée lorsque les molécules fluorescentes absorbent de l’énergie lumineuse à une certaine longueur d’onde, et ensuite la restituent sous forme de lumière fluorescente à une autre longueur d’onde. La détection de la molécule unique est basée sur ce principe.

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Table des matières

Introduction générale
1 Capteur Optique Intégré
1.1 Généralités sur les Capteurs
1.2 Capteurs optiques
1.2.1 Méthodes réfractométriques
1.2.1.1 Ellipsométrie et polarimétrie
1.2.1.2 Interférences
1.2.1.3 Onde évanescente
1.2.2 Méthodes spectroscopiques
1.2.2.1 Luminescence
1.2.2.2 Diffusion Raman
1.2.2.3 Absorption
1.2.3 Résonance et exaltation du paramètre physique
1.2.3.1 Structures résonantes
1.2.3.2 Phénomènes basés sur la Plasmonique
1.2.4 Conclusion
1.3 Capteurs en optique intégrée pour le Moyen Infrarouge
1.3.1 Sources lumineuses émettant dans le MIR
1.3.2 Photodétecteurs pour le MIR
1.3.3 Développement de plateformes en optique intégrée pour le MIR
1.3.3.1 Matériaux et structures guidantes performants dans le MIR
1.3.3.2 Transducteurs en optique intégrée
1.4 Conclusion
2 Conditions expérimentales et moyen de caractérisation pour le MIR
2.1 Introduction
2.2 Réalisation de la plateforme en optique intégrée à base de verres de chalcogénure
2.2.1 Couches minces en verres de chalcogénure
2.2.1.1 Définition des verres de chalcogénure
2.2.1.2 Système vitreux Ge-Sb-Se
2.2.1.3 Synthèse des verres séléniures
2.2.1.4 Dépôt de couches minces Ge-Sb-Se
2.2.1.5 Indice de réfraction des verres Ge-Sb-Se dans le MIR
2.2.1.6 Absorption des verres Ge-Sb-Se
2.2.2 Fabrication des guides de type ridge
2.2.2.1 Photolithographie
2.2.2.2 Gravure Réactive Ionique (RIE)
2.3 Banc de couplage pour le MIR
2.3.1 Éléments du banc de couplage pour le MIR
2.3.1.1 Laser à cascade quantique (QCL)
2.3.1.2 Objectifs pour le MIR
2.3.1.3 Fibre optique en chalcogénure
2.3.1.4 Photodétecteurs pour le MIR
2.3.1.5 Caméra d’imagerie thermographique
2.3.2 Montage du banc d’injection pour le MIR et étalonage
2.3.2.1 Caractérisation de la source lumineuse (QCL) pour le MIR
2.3.2.2 Caractérisation du photodétecteur (Caméra thermographique) pour le MIR
2.4 Conclusion
3 Optimisation du transducteur intégré pour la détection de molécules dans le MIR
PRÉAMBULE : Étude spectrale de molécules absorbantes dans le MIR
3.1 Introduction
3.2 Méthode de l’Indice Effectif
3.3 Facteur de champ évanescent
3.4 Optimisation des dimensions du transducteur
3.5 Étude des caractéristiques du transducteur intégré
3.5.1 Sensibilité
3.5.2 Seuil de détection
3.6 Application à la détection de molécules cibles dans le MIR
3.6.1 Détection dans un milieu non-absorbant
3.6.1.1 Milieux gazeux
3.6.1.2 Milieux liquides
3.6.2 Détection dans un milieu absorbant
3.7 Conclusion
4 Caractérisation optique de la plateforme intégrée en verres de chalcogénure dans le MIR
4.1 Introduction
4.2 Propagation de la lumière dans les guides ridge en verres de chalcogénure dans le MIR
4.3 Étude des pertes optiques de la plateforme intégrée en verres de chalcogénure à 7.7 µm
4.4 Test de transduction pour la détection de substances liquides à 7.7 µm
4.5 Conclusion
Conclusion
Bibliographie

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