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

Un consortium franco-australien1 comprenant une équipe de l'Institut des nanotechnologies de Lyon et du CEA-LETI a réalisé une source supercontinuum sur puce dans le moyen infra-rouge (3 µm à 8 µm), qui pourrait détecter une large gamme de molécules. Le dispositif, compatible avec les technologies de fabrication de masse de l'industrie microélectronique, a donné lieu à une publication en avril dans la revue Optica.

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 émettant dans ce spectre, compactes et peu coûteuses, permettrait de développer de nombreuses applications, dans les secteurs de l'environnement et de l'industrie (la détection de gaz dans l'air) comme dans celui de la santé, par exemple pour le diagnostic précoce du cancer. 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, 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 compatible avec les procédés CMOS déjà utilisés pour la production de masse en microélectronique. Un doctorant en cotutelle entre l'INL/Centrale Lyon et le RMIT Melbourne, Milan Sinobad, est à l’origine de cette découverte, avec Christelle Monat de l’École Centrale de Lyon, Christian Grillet (CNRS), David Allioux et Régis Orobtchouk.

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.

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. À plus long terme, 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.

Une collaboration étroite en photonique entre la France et l’Australie

Forts de ces résultats, une lettre d'intention sur le renouvellement du LIA ALPhFA (Associated Laboratory in Photonics between France and Australia et pour lequel l'INL est le laboratoire coordinateur) a été signée mercredi 2 mai dans le cadre de la visite d’Etat d’Emmanuel Macron en Australie. Cette lettre officialise le partenariat entre le CNRS (au nom des différentes tutelles françaises parmi lesquelles l'École centrale de Lyon) et le consortium d'universités australiennes impliquées dans ce LIA pour la période 2018-2021.

Collaboration France Australie avec l'École Centrale de Lyon
De gauche à droite : Laurent Rivory, Pro-Vice Chancellor de l’University of Sydney ; Patrick Nédellec, DERCI du CNRS ; Emmanuel Macron, Président de la République française ; Malcolm B. Turnbull, Premier ministre australien ; Yi REN, Director of Higher Degree Research Macquarie University ; Margaret HARDING, Deputy Vice-Chancellor de l’Australian National University ; Jane HOLT, Executive Director of RMIT.

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).

Références :

Mid-infrared octave spanning supercontinuum generation to 8.5  μm in silicon-germanium waveguides

Milan Sinobad, Christelle Monat, Barry Luther-davies, Pan Ma, Stephen Madden, David J. Moss, Arnan Mitchell, David Allioux, Regis Orobtchouk, Salim Boutami, Jean-Michel Hartmann, Jean-Marc Fedeli, and Christian Grillet

Optica Vol. 5, Issue 4, pp. 360-366 (2018)

DOI: 10.1364/OPTICA.5.000360

Contact chercheur : Christian Grillet - Institut des Nanotechnologies de Lyon

Contact communication INSIS : insis.communication[at]cnrs.fr