Conception et réalisation de spectromètres infrarouges compacts basés sur la modulation électro-optique et l’optique guidée, en configuration SWIFTS-Gabor.

                                                                                    SUJET DE THESE POUR CONTRAT DOCTORAL FLECHE EEATS

Laboratoires :
Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG)
Institut de Micro-électronique, Electromagnétisme et Photonique et Laboratoire d’Hyperfréquences et Caractérisation (IMEP-LAHC)

Directeur de thèse :
Guillermo Martin (IPAG)   04 76 63 52 76  (HDR 63)

Co-encadrant(s) éventuel(s) :
Alain Morand (IMEP-LAHC)  04 56 52 94 86  (HDR 63)

Sujet (titre) :
Conception et réalisation de spectromètres infrarouges compacts basés sur la modulation électro-optique et l’optique guidée, en configuration SWIFTS-Gabor.

Description du projet :
Il s’agit de concevoir, réaliser et caractériser un spectromètre optique intégrée pour les applications en spectroscopie proche IR à très haute résolution. Le principe est d’injecter le signal sur deux entrées opposées d’un guide multimode (N modes), puis de séparer en N guides monomode (typ. N=16). A l’endroit de la différence de marche nulle, se forme le paquet de franges qui va être échantillonné par des sillons ou des nanoplots d’or déposés à la surface. Le signal extrait est alors dirigé vers un détecteur, qui a typiquement un pixel pitch de 10um. Pour compenser le sous-échantillonnage, des électrodes en amont permettent de moduler la différence de phase et ainsi d’améliorer l’échantillonnage (voir Fig. 1). Par ailleurs, les plots d’échantillonnage seront des antennes, étudiées pour optimiser la directivité du flux vers le détecteur, car dans le cas des détecteurs IR, la zone de déplétion étant relativement enterrée, on est en effet obligé de séparer les centres d’échantillonnage de l’ordre de 100um pour éviter la diaphonie. Le multiplexage en 16 canaux permet d’une part de compenser ce grand décalage en passif, puis la modulation électro-optique permet de déplacer finement les franges sous chacun des centres.

Fig.1 : Schéma du concept SWIFTS-Gabor : Le signal à injecter est injecté simultanément par deux entrées opposées. Les électrodes permettent de faire varier la phase relative entre les entrées mais aussi de compenser des variations statiques de la différence de marche nulle. La zone de plots SWIFTS permet d’échantillonner la frange blanche et rayonner le signal vers le détecteur (à la verticale du dessin).

On fait ainsi un spectromètre hybride spatial-temporel, pour augmenter l’étendue spectrale, tout en gardant une très grande résolution spectrale (typ. 1000nm d’étendue et R=20000), ce qui est un véritable progrès pour répondre aux besoins des spectromètres compacts pour des missions spatiales ou portées sur drone, qui sont pilotées ou envisagées notamment par l’équipe Planeto au sein de l’IPAG. Pour comparaison, les projets d’instruments spatiaux comme SPICAM-IR (resp. OMEGA) comportent des spectromètres avec R=1000 et étendue 1-1.7um (resp. R=3000 et étendue 0.5-5um), et notamment des poids très conséquents (OMEGA, 30kg).

Avec notre concept de spectromètre compact, nous envisageons de multiplier par 10 la résolution spectrale, obtenir une étendue spectrale de l’ordre de 1000nm, centrée sur 1.55um, tout en assurant un poids réduit (<1kg) pour l’ensemble composant et détecteur.

L’étudiant(e) devra travailler sur différents aspects :

-Etude du meilleur compromis multiplexage spatial-temporel, pour optimiser le rapport signal/bruit (distribution du flux sur différents canaux), tout en diminuant autant que possible le besoin de modulation électro-optique (pour limiter la tension de modulation, et donc la consommation électrique, la taille des électrodes).

-L’optimisation de la géométrie et la distribution des sillons diffusants. En collaboration avec Alain Morand de l’IMEP-LaHC, l’étudiant prendra en main les simulations permettant de modéliser la diffusion d’un sillon unique, en fonction de ses caractéristiques opto-géométriques et de la longueur d’onde. Des phénomènes collectifs seront étudiés pour accroître la directivité des antennes et réduire l’angle d’émission des sillons diffusants, qui sont aujourd’hui un des inconvénients majeurs dans nos structures, générant de la diaphonie entre les différents points d’émission.

-Au niveau technologique, l’étudiant concevra et caractérisera différents guides d’onde et interféromètres qui seront réalisés avec nos collègues de FEMTO-ST à Besançon, spécialistes du Niobate de Lithium. Les composants seront testés à la fois à l’IPAG et à l’IMEP-LaHC, où des bancs de caractérisation optique dans le proche et moyen IR sont disponibles. La structure qui sera réalisée est celle correspondant à la figure 1, notamment en fabricant des nano-sillons pour extraire le flux contenu dans le guide. Il devra aussi valider l’association mécanique de la puce collée sur le capteur en cours de test actuellement.

Argumentaire :
Notre objectif est d’explorer la spectroscopie sur-puce qui permet d’avoir un instrument très compact favorable à une opération embarquée (drone ou cubesat). Basé sur notre expérience sur la technologie SWIFTS adapté à haute résolution spectrale en mode Fourier Transform Spectrometer, nous proposons d’étudier le concept Gabor, qui n’est aujourd´hui pas exploité, alors qu’il permet d’avoir accès à la frange centrale et surtout d’éviter les problèmes de saturation lorsqu’on regarde les franges collées au miroir dans le mode Lippmann. Dans ce concept, le signal transporté par des guides d’onde est diffracté via des discontinuités diélectriques périodiques (nanoplots ou nanosillons) déposés à la surface. Ce concept n’utilise aucun système d’imagerie, permettant de recueillir le signal directement dans le détecteur et limitant les problèmes d’alignement optique et sensibilité aux vibrations. Ceci permet d’aller vers des applications spatiales avec des volumes et poids très réduits (<1dm3, <1kg). Ce projet est d’autant plus d’actualité que dans le cadre du Centre Spatial Universitaire Grenoblois, un premier projet de satellite (ATISE/ZeGrenSat) est destiné à réaliser un instrument interférométrique pour l’étude des aurores boréales, basé sur le concept du prisme à échelon (SPOC/ONERA). Notre objectif serait de proposer assez rapidement notre spectromètre au CSUG, pour une première démonstration en vol du concept. Des discussions sont actuellement en cours avec des collègues du CEA-Leti pour récupérer des matrices 625×512 pour ce genre de projet.

Enfin, ce travail de miniaturisation est essentiel dans le cadre des développements d’interféromètres optiques intégrés basés sur Niobate de Lithium, que nous menons en collaboration avec S. Lacour au LESIA (Projet FIRST/LITHIUM), où l’objectif est de valider le fonctionnement d’un interféromètre à 2 Télescopes (jonction Y achromatique) dans un Nanosat.

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