Design and fabrication of a compact gas sensor integrating a polymer micro resonator and a 850nm VCSEL source (2020)

Il existe une demande croissante en capteurs de gaz portables, émanant à la fois des sciences de l'environnement, de la santé ainsi que de l'industrie. Les capteurs optiques résonants, en particulier les micro résonateurs planaires, combinent forte sensibilité et faibles dimensions, ce qui en fait de bons candidats pour ces applications. Le principe de détection de ces capteurs à champ évanescent est basé sur une variation de leur réponse optique liée à une modification de l'indice effectif en présence des molécules cibles. Si de nombreux travaux montrent l'efficacité de cette approche, sa mise en oeuvre aux dimensions sub-microniques passe par l'emploi de bancs optiques complexes, encombrants, et difficilement miniaturisables. Nous proposons ici une approche globale basée sur l'ensemble du système de mesure, en exploitant des compétences pluridisciplinaires sur (i) les diodes à cavité verticales émettant par la surface (VCSEL) et la mise en forme de leur faisceau ; (ii) la conception et la fabrication de micro résonateurs optiques polymères et de réseaux de couplage ; (iii) les capteurs de gaz et la fonctionnalisation de surface. L'utilisation d'un VCSEL accordable en courant sur 5 nm, combinée à une mise en forme du faisceau et l'emploi de réseaux de couplage, permet d'obtenir une meilleure tolérance au désalignement entre la source et l'entrée du guide d'ondes, et simplifier ainsi l'injection de lumière. Un couplage vertical du micro-résonateur est favorisé pour faciliter le dépôt de la couche sensible et isoler les réseaux de couplage et les guides d'ondes. La longueur d'onde de 850 nm ne permettant pas une détection directe de l'absorption des molécules de gaz d'intérêt, une couche sensible de polyaniline (PANI) est ajoutée afin d'apporter sélectivité et sensibilité à l'ammoniac (NH_3). Son exposition au NH_3 entraine un dédopage, réversible à température ambiante, qui se traduit par des modifications de son indice optique et une variation du spectre de résonance en sortie du micro-résonateur mesurable à l'aide d'une simple photodiode grâce à l'accordabilité de la source. La compacité et l'intégrabilité des micro-résonateurs, des sources VCSELs et des photodétecteurs permet d'envisager des matrices de micro-résonateurs fonctionnalisés pour une détection multi-cibles. Le manuscrit débute par une présentation globale du microsystème et son positionnement par rapport à l'état de l'art. L'intérêt des matériaux et technologies polymères est discuté pour réaliser un système "lab-on-chip" à faible coût, en se basant sur nos travaux antérieurs et nos contraintes technologiques. L'intégration d'éléments micro-optiques polymères sur VCSEL est théoriquement et expérimentalement étudiée pour obtenir une collimation et une taille de spot appropriées pour la distance de travail considérée, afin de diminuer sa divergence naturelle et maximiser le couplage. Deux méthodes post-production sont employées, discutées et comparées : une méthode basée sur la lithographie laser et le dépôt par jet d'encre, et une méthode 3D par stéréolithographie 2-photons. Une étude de dimensionnement basée sur du calcul analytique et de la modélisation FDTD incluant les contraintes technologiques est présentée pour concevoir les réseaux de couplage, les guides d'ondes et les micro-résonateurs. L'intégration d'un photodétecteur silicium est discutée pour réaliser une intégration complète. Ensuite, plusieurs approches technologiques sont présentées pour créer la structure conçue dans la section technologie et fabrication. Les plates-formes de caractérisation optique permettant l'évaluation des performances de chacun des éléments du microsystème sont détaillées. Les résultats préliminaires sont présentés et de nouvelles pistes sont proposées. Enfin, l'intégration d'un matériau chimiquement sensible à la surface du matériau guide d'ondes est développée et testée. Les perspectives de recherches futures sont également discutées.