Une source laser supercontinuum intégrée pour détecter des composés chimiques et biologiques

Un consortium franco-australien comprenant une équipe de l’Institut des nanotechnologies de Lyon et du CEA-LETI a réalisé une source supercontinuum sur puce dans le moyen infrarouge, qui pourrait détecter une large gamme de molécules et donner lieu à un grand nombre d’applications , notamment dans les domaines de l’environnement, de la santé et de l’industrie.

Il n’existe pas à l’heure actuelle de technologie universelle permettant de détecter et distinguer l’ensemble des molécules chimiques, une application qui pourtant trouverait son utilité en environnement, par exemple pour la détection de gaz dans l’air, ou dans le domaine de la santé, pour le diagnostic précoce du cancer.

Toutes les molécules chimiques ou biologiques ont une signature spectrale spécifique dans le moyen-infrarouge (entre 3 µm et 20 µm). Disposer de sources lumineuses compactes et peu coûteuses émettant dans ce spectre constitue en quelque sorte un Graal qui pourrait rendre accessible la conception des capteurs nécessaires à de telles applications.

Des chercheurs de l’Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/École Centrale Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard/ESCPEL), dans le cadre d’un consortium franco-australien(1), ont franchi une étape importante dans ce sens en créant une source « supercontinuum » intégrée, qui émet entre 3 µm et 8,5 µm, avec une puissance suffisante (10 mW) pour les applications envisagées. La technologie utilisée est de plus compatible avec les procédés CMOS déjà utilisés pour la production de masse en microélectronique.

La source supercontinuum résulte de l’élargissement du spectre d’un faisceau laser à impulsions ultra-courtes (laser femtosecondes), au moyen d’un guide d’ondes fortement non-linéaire et intégré sur une puce. Pour réaliser cette puce, les chercheurs ont utilisé une technologie en silicium-germanium sur un substrat en silicium (SiGe/Si). Le spectre d’émission a pu être étendu jusqu’à 8,5 µm, une première avec un procédé compatible CMOS. Les faibles pertes dans le dispositif ont permis d’atteindre une puissance de sortie supérieure à 10 mW, bien plus élevée que celle obtenue jusqu’ici avec ce type de dispositif.

Forts de ces résultats, les chercheurs travaillent maintenant sur l’étape suivante : l’intégration sur une seule puce de la source laser femtosecondes et du guide d’ondes assurant l’élargissement du spectre. Il faudra ensuite intégrer l’électronique permettant de réaliser un capteur complet sur une puce. Les utilisations potentielles sont nombreuses, dans la surveillance de l’environnement, la santé et l’industrie.

 

1 Composé de l’Institut des nanotechnologies de Lyon, du CEA-LETI, de l’Australian National University, de RMIT University et Swinburne University, rassemblés sous la bannière du LIA ALPhFA2 (International Associated Laboratory in Photonics between France and Australia).

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