Étude et réalisation de dispositifs photoniques passifs fonctionnant dans le domaine du visible : application à la détection optique et au guidage large bande

Modeling and fabrication of passive photonic devices operating in the visible range : application to optical sensing and broadband waveguiding

• Auteur / Autrice : Théo Rouanet
• Direction : Laurent Bechou, Paul Charette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Ledoux-Rak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Canva
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luiz Poffo, Christelle Aupetit-Berthelemot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Optique intégrée

Matériaux poreux

Diélectriques

Mots clés libres

Matériaux diélectriques

Matériaux poreux

Optique intégrée

Photonique

Dielectrics materials

Porous materials

Integrated optics

Photonics

Résumé

Le développement de structures photoniques en optique intégrée fonctionnant à des longueurs d’onde visible devient un enjeu majeur dans différents domaines tels que la santé, la détection, ou encore l’imagerie. Cette thèse a pour objectif de développer différentes structures optiques fonctionnant dans cette gamme ; dispositifs de détection de molécules spécifiques en milieu liquide et guides d’onde fonctionnant sur une large bande spectrale.Les dispositifs de détection ont été réalisés à partir de deux familles distinctes de matériaux en vue de comparer leurs performances : des polymères sur un substrat de silice poreuse et le nitrure de silicium (SiN) sur substrat de Silicium. La transduction est basée sur un résonateur optique en anneau (OMR), présentant une sensibilité optimale dans le domaine du visible où les signatures spectrales des polluants sont répertoriées. Les structures sont optimisées pour fonctionner à une unique longueur d’onde.Par ailleurs, nous avons également développé des guides d’onde fonctionnant sur une large bande spectrale du visible. Ces guides d’onde ont été réalisés à partir d’un unique matériau,l’oxynitrure de silicium (SiON), en contrôlant le gradient d'indice des différentes couches mises en oeuvre. En utilisant des modélisations par des méthodes qui sont décrites et des modèles spécifiquement développés pour cette étude mais également en adaptant le procédé de microfabrication en salle blanche, des premiers capteurs OMR constitués de guides d’onde dits à « ruban » et des guides d’onde enterrés en SiON ont été fabriqués. Un banc de caractérisation adapté aux longueurs d’onde du visible permet de mesurer les performances optiques des dispositifs fabriqués et situer les résultats par rapport à l’état de l’art actuel. Des perspectives à ces travaux sont proposées en fin de manuscrit.

The development of photonic structures based on integrated optics operating at visible wavelengths is becoming a major challenge in various fields such as healthcare,detection, and imaging. The aim of this thesis is to develop various optical structures operating in this range: devices for the detection of specific molecules in aqueous environments and waveguides operating over a wide spectral band.The detection devices were created using two distinct families of materials in order to compare their performance: polymers on a porous silica substrate and silicon nitride (SiN) on a silicon substrate. The sensing area is based on an optical microresonator (OMR), which exhibits optimal sensitivity in the visible domain where pollutant spectral signatures are already known.The structures are optimized to operate at a single wavelength. Furthermore, we have also developed waveguides operating over a wide spectral range in the visible domain. These waveguides were fabricated using a single material, silicon oxynitride (SiON), by controllingthe refractive index gradient of each layer. By using modelling methods that are described and models specifically developed for our study, as well as optimizing the cleanroom microfabrication process, first OMR sensors consisting of ridge waveguides and buried SiON waveguides were fabricated. A dedicated test bench suitable for visible wavelengths was also used to extract optical performance of these devices and compare the results to the current stateof-the-art. Finally, prospects for this work have been proposed.