Sources lumineuses ultra-compactes pour spéctroscopie infrarouge

par George albert adib Abdelsayed

Projet de thèse en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Tarik Bourouina et de Yasser Sabry.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes (laboratoire) depuis le 16-04-2019 .


  • Résumé

    Les sources lumineuses sont en général un élément vital dans des différentes applications comportant la spectroscopie optique permettant l'analyse chimique. Le spectromètre IRTF déjà mentionné, basé sur la technologie des MEMS, a besoin d'une source lumineuse pour son utilisation en analyse chimique. Le spectromètre étant déjà compact, la source lumineuse doit être aussi compacte. D'autre part, visant l'opération indépendante du système, la consommation énergétique doit être réduite. Les sources lumineuses à large bande couvrant les régions spectrales du proche infrarouge et de l'infrarouge moyen (avec possibilité pour l'infrarouge lointain) sont nécessaires. La dépendance des propriétés radiatives sur la température est un autre paramètre très important parce que ces dispositifs sont prévus à opérer dans des degrés de température beaucoup plus élevés que la température ambiante. Cependant, atteindre des températures pareilles nécessite un réchauffement par effet Joule, engendrant la dissipation de l'énergie électrique. Pour réduire la consommation de l'énergie électrique correspondante, tout en maintenant le niveau d'émission d'énergie optique désiré de la source lumineuse, l'optimisation de la perte d'énergie calorifique est nécessaire, visant une efficacité de conversion électro-optique optimale. Pour cela, la conception d'une isolation thermique efficace sera une tâche principale. Dans ce projet, on vise à la conception, optimisation, fabrication et la caractérisation des émetteurs de lumière accordables, à large bande, basés sur la technologie de silicone, compatibles avec la technologie de MEMS, qui peuvent être utilisés dans les applications différentes déjà mentionnées. Pour cela, nous nous concentrerons sur le silicone noir, qui a été étudié soigneusement dans le laboratoire ESYCOM [1] et qui a déjà démontré un grand potentiel pour les sources lumineuses ultra-compactes basées sur la radiation des corps noirs, ce qui a mené à une première publication en conférence et à une demande de brevet associant des chercheurs de Si-ware Systems et ESYCOM [2,3]. Cela a été le germe de ce projet et qui a motivé les deux parties pour lancer cette thèse doctorale avec support financier de Si-ware Systems. Du point de vue fondamental, on approfondira l'analyse de tous les facteurs gouvernant la stabilité à longue terme et la fiabilité de ces dispositifs. En effet, il est prévu que l' opération à longue terme sous des températures élevées (pouvant atteindre et même dépasser 1000K) peut éventuellement mener à des mécanismes de défaillance ou, au moins à des effets irréversibles. D'autre part, les propriétés des matériaux sous cette intervalle de température ne sont pas bien connues et seront examinées. Finalement, l'emballage de ces sources lumineuses ainsi que leur accouplement à d'autres dispositifs (comme par exemple les cellules à gaz, les fibres optiques et les guides d'ondes) seront aussi examinés.

  • Titre traduit

    Ultra-Compact Light Sources for Infrared Spectroscopy


  • Résumé

    Whatever the scale, light sources are in general a key element for different applications including optical spectroscopy allowing chemical analysis. When considering the above-mentioned MEMS-based FTIR spectrometer, its use for chemical analysis also requires a light source. Having the spectrometer already ultra-compact also requires having an ultra-compact light source. Furthermore, targeting autonomous operation of such system, also requires operation with reduced power consumption. Broad-band light sources covering both Near-Infra-Red and Mid-Infra-Red (possibly in the Far-Infrared) spectral ranges are required. The temperature dependence of the radiative properties is a second key parameter since the devices are expected to operate at temperatures much larger than room temperature. However, reaching such temperatures require heating based on Joule heating, also meaning electrical power dissipation. In order to reduce the corresponding electrical power consumption, while keeping the required level of optical power emitted by the light source, there is a need to optimize heat loss, targeting optimum conversion electro-optic efficiency. To this end, designing an efficient thermal insulation will be a primary task. In the present project, we aim at designing, optimizing, fabricating and characterizing tunable MEMS-compatible, silicon based broadband light emitters that can be used for the different above-cited applications. To this end, we will focus on black silicon, which has been thoroughly studied within ESYCOM Laboratory, and which has already shown a high potential for ultra-compact light sources based on black-body radiation, leading to a first conference paper and patent application involving researchers from both Si-ware Systems and ESYCOM. This is the seed for this project which motivated both parties to lauch this PhD thesis with financial support from Si-Ware Systems. From fundamental point-of-view, we will deepen the analysis of all factors governing long-term stability and reliability of such devices. Indeed, it is expected that long-term operation at high temperatures (reaching and even exceeding 1000K) might potentially lead to failure mechanisms or at least to irreversible effects. Furthermore, material properties over this temperature range are not well known and will be investigated. Finally, packaging of such light source as well as its coupling to other devices (such as gas cells, optical fibers, waveguides) will be also investigated.