L’ANR COMI « Composants pour l’Optique intégrés dans le Moyen Infrarouge » est un Projet de Recherche Collaborative-Entreprise (PRCE) qui regroupe 4 partenaires : l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, Equipe Verres et Céramiques (David Le Coq), l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et Nanotechnologie (Jean-François Lampin), la société mirSense (Grégory Maisons) et le LPCA (Pascal Masselin).
C’est dans le domaine optique de l’infrarouge moyen que sont situées la plupart des fréquences de vibration moléculaire et l’observation de ces fréquences par spectroscopie optique permet l’identification et la quantification de composés chimiques explosifs, polluants ou encore marqueurs de maladie.
Aussi, l’appropriation technologique de ce domaine spectral représente un enjeu socio-économique majeur car les applications concernent des préoccupations très actuelles en matière de sécurité (détection d’engin explosif improvisé, contamination alimentaire intentionnelle, …), de surveillance de l’atmosphère (suivi en temps réel des niveaux de pollutions, …) ou encore de santé (rapidité des procédures d’analyse, …).
Ces dernières années, des systèmes de détection de plus en plus performants ont pu être mis au point grâce notamment, aux progrès obtenus dans le domaine des lasers à cascade quantique qui fonctionnent aujourd’hui en continu à température ambiante et couvrent l’ensemble du spectre infrarouge moyen. Par ailleurs, les fibres optiques ont également évolué très rapidement pour atteindre maintenant des niveaux de performances tout à fait acceptables sur ce domaine de longueurs d’onde.
Cependant, entre ces deux briques technologiques, il manque encore des composants élémentaires performants, permettant, par exemple, de gérer la répartition de la puissance lumineuse sur différents canaux. En effet, les guides d’onde réalisés par les technologies actuelles basées sur l’utilisation de matériaux semi-conducteurs, présentent en général des pertes de couplage de l’ordre de 10 dB et de propagation supérieure à 1 dB/cm. Concrètement, cela se traduit par une puissance transportée de l’ordre de quelques pourcent de la puissance incidente.
Le projet COMI propose une rupture technologique pour la réalisation de guide d’onde dans le moyen infrarouge (3-5 µm), basée sur une méthode de photo-inscription par laser à impulsions ultra-brèves dans un verre chalcogénure, pour atteindre un niveau de puissance transportée de plusieurs dizaines de pourcent. Notre approche consiste à inscrire des canaux de variations d’indice parallèlement les uns aux autres sur un maillage hexagonal (guide multi-coeurs) et à réaliser le guide par concaténation successive de tranches de section transverse. Cette méthode que nous avons éprouvée dans le proche infrarouge, donne d’excellents résultats car elle permet de contrôler simultanément et indépendamment l’amplitude du contraste d’indice entre la gaine et le coeur, et les dimensions de celui-ci.
Dans ce projet, l’optimisation des performances est abordée sous différents angles. Tout d’abord, l’influence des paramètres expérimentaux de l’inscription sur les propriétés de guidage sera établie pour des guides rectilignes, l’objectif étant de déterminer la combinaison de ces paramètres qui permette d’atteindre un niveau de perte de propagation inférieur à 0,2 dB/cm. Ce résultat permettra d’expérimenter des composants plus complexes comme des guides courbes et des séparateurs de faisceaux.
Les performances sont également regardées du point de vue matériau, avec un travail sur le verre. Il s’agit tout d’abord de réduire les pertes intrinsèques de propagation dans le verre en optimisant la purification des éléments lors de la synthèse. Les propriétés des guides dépendent bien évidemment de l’amplitude du contraste d’indice entre le canal photo-inscrit et la matrice vitreuse mais aussi de son diamètre. Une autre voie d’optimisation qui sera étudiée, concerne ainsi la composition du verre car ces deux paramètres en sont très fortement dépendants. Enfin, une dernière tâche concerne la mesure directe dans l’infrarouge des caractéristiques de la variation d’indice photo-induite (amplitude et diamètre), par une méthode de microscopie en champ proche qu’il faudra mettre au point. C’est un aspect important qui permettra de comprendre et maitrîser l’influence des paramètres expérimentaux de l’inscription sur les pertes.
