ECOLE DOCTORALE EEATS El ec t ro n iq u e, El ec t r o t ec hn iq u e, A u t o ma ti q u e, T rai t e m en t d u S i gn al SUJET DE THESE POUR CONTRAT DOCTORAL FLECHE EEATS Laboratoires : Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG) Institut de Micro-électronique, Electromagnétisme d’Hyperfréquences et Caractérisation (IMEP-LAHC) et Photonique et Laboratoire Directeur de thèse : Guillermo Martin (IPAG) [email protected] 04 76 63 55 09 (demande d’agrément HDR 63 pour une soutenance en 2015) Co-encadrant(s) éventuel(s) : Alain Morand (IMEP-LAHC) [email protected] 04 56 52 94 86 (HDR 63) Sujet (titre) : Conception et réalisation de spectromètres infrarouges l’échantillonnage électro-optique et l’optique guidée. compacts basés sur Description du projet : Il s’agit de concevoir, réaliser et caractériser un composant en optique intégrée pour les applications en spectroscopie à très haute résolution. Le concept sera testé sur un simulateur du télescope VLTI, actuellement disponible à l’IPAG, permettant l’injection de 4 entrées simultanément. Le concept d’interféromètre est schématisé ci-dessous : Fig.1 : Schéma du concept 4T : 4 sources sont injectées (a gauche) puis échantillonnées par des sillons remplis de platine (a droite). Les modulateurs permettent de faire varier la phase relative entre les entrées. En réalisant une image défocalisée des zones des plots, on superpose les différents signaux, obtenant des franges d’interférence. Ecole doctorale EEATS - Bâtiment Pluriel, 701 rue de la piscine, BP 81, 38402 Saint Martin d'hères cedex web: http://www.edeeats.inpg.fr - E.mail : [email protected] ECOLE DOCTORALE EEATS El ec t ro n iq u e, El ec t r o t ec hn iq u e, A u t o ma ti q u e, T rai t e m en t d u S i gn al L'étudiant(e) devra travailler sur différents aspects : -Dans la configuration correspondant à la figure 1, les sillons diffusent la lumière dans la direction verticale à la surface du substrat. Dans ce cas, les sillons sont placés d’une manière périodique et un système optique est nécessaire pour imager cette diffusion sur un détecteur (voir figure 2). L’étude de cette configuration nécessite la modélisation des phénomènes de propagation et d’interférence du signal optique dans les guides d’onde puis l’étude de l’extraction du signal grâce à des sillons diffusants. Notamment, on étudiera la possibilité de remplir les sillons avec du platine qui, dans certaines configurations, permet d’exalter le phénomène de diffusion. Fig.2 : Montage Avrutsky. Le guide (à gauche) couplé a un réseau de nano-sillons en surface agit comme un réseau de diffraction. Le signal optique est alors re-imagé dans le détecteur (à droite) grâce a une optique de relais comprenant trois lentilles cylindriques. Un des axes sera de travailler sur la distribution des plots pour s’affranchir de l’utilisation des lentilles, et focaliser directement sur le détecteur. -L’optimisation de la géométrie et la distribution des sillons diffusants est une partie essentielle de ce travail. Grâce aux travaux d’Alain Morand, 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. L’étudiant devra notamment vérifier la quantité diffusée par chaque sillon en prenant en compte les critères suivants : la majeure partie du signal doit être diffusée et chaque sillon doit diffuser la même quantité de signal. Des phénomènes collectifs peuvent ensuite être étudiés. Notamment, l’un des aspects à aborder sera la réalisation de nanoantennes, permettant de 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. -Etude de l’effet électro-optique : efficacité de modulation de la phase grâce aux électrodes en entrée du guide. Etude de la géométrie des électrodes pour obtenir une modulation sur une frange. Il abordera les problèmes de chromatisme et les approches développées à l’IPAG pour obtenir une modulation achromatique de la phase. -Conception, réalisation et caractérisation de 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 l’IPAG, où des bancs de caractérisation optique dans le proche et moyen IR sont disponibles, notamment un simulateur du VLTI, pour une injection jusqu'à 4 Télescopes. 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. -Passage en mode Avrutsky : Le signal diffracté par l’ensemble des sillons, après optimisation dans les études précédentes, est récupéré par une optique de relais qui permet Ecole doctorale EEATS - Bâtiment Pluriel, 701 rue de la piscine, BP 81, 38402 Saint Martin d'hères cedex web: http://www.edeeats.inpg.fr - E.mail : [email protected] ECOLE DOCTORALE EEATS El ec t ro n iq u e, El ec t r o t ec hn iq u e, A u t o ma ti q u e, T rai t e m en t d u S i gn al d’obtenir directement sur une matrice CCD le spectre de la source (fig.2). En défocalisant légèrement, on peut alors obtenir des franges d’interférences entre les différentes entrées de la figure ci-dessus, correspondant aux différentes sources/télescopes à l’étude (superposition de la diffusion de chaque série de plots associé aux guides droits de la figure 1). On peut donc simultanément étudier les interférogrammes spectralement étalés de plusieurs sources, en particulier pour des applications en interférométrie stellaire, sur des observatoires comme le VLTI (Chili) ou CHARA (USA). X Z Fig.3 : Gauche : Image obtenue en mode Avrutsky focalisé de deux guides échantillonnés par des sillons, en large bande (SLED =850, =50nm). Droite : Image en mode Avrutsky défocalisé, ou la superposition des deux guides (i.e. signal provenant de deux télescopes différents) est obtenue. On peut alors remonter à la visibilité des franges (direction verticale, X) en fonction de la longueur d’onde (direction horizontale, Z), obtenant un spectro-interféromètre intégré. Argumentaire : La spectroscopie à haute résolution connaît un renouveau avec la (re)découverte du phénomène d’onde stationnaire que l’on obtient à l’intérieur d’un guide d’onde lorsqu’on fait interagir une onde propagative avec son homologue contrapropagative réfléchie (ou injectée) par l’extrémité opposée du guide. L’échantillonnage à haute fréquence de ce signal, fait en utilisant des plots ou sillons diffusants déposés en surface de guide, permet d’atteindre des résolutions exceptionnelles dans un composant de seulement quelques mm de longueur. Notre objectif est d'explorer la spectroscopie sur-puce qui permet d’avoir un instrument très compact favorable à une opération dans un environnement refroidi pour l'infrarouge. Nous avons montré le fort potentiel de ce concept appliqué à l’interférométrie [Kern09]. Basé sur notre expérience sur la technologie SWIFTS adapté à haute résolution spectrale en mode FTS [Coarer07, Thomas14], nous proposons d'étudier le concept Avrutsky [Avrutsky06], un mode de dispersion qui est plus approprié pour les applications astrophysiques prévues. Dans ce concept, le signal est diffracté via des discontinuités diélectriques périodiques (nanoplots ou nanosillons) le long des guides d'ondes. Ce concept nécessite un système d'imagerie supplémentaire pour recueillir le signal de la matrice dans le plan focal. Dans la figure ci-dessous, nous présentons un schéma de ce que pourrait être un spectrointerféromètre de très haute résolution spectrale, adapté au VLTI pour l’interférence de 4 télescopes, dans un volume très réduit, permettant d’aller vers des applications spatiales. Ecole doctorale EEATS - Bâtiment Pluriel, 701 rue de la piscine, BP 81, 38402 Saint Martin d'hères cedex web: http://www.edeeats.inpg.fr - E.mail : [email protected] ECOLE DOCTORALE EEATS El ec t ro n iq u e, El ec t r o t ec hn iq u e, A u t o ma ti q u e, T rai t e m en t d u S i gn al X Z Electrodes GND V1 GND V2 V3 V4 GND X Z Y Z Fig.4 :Concept du spectro-interféromètre à 4T en mode Avrutsky défocalisé. Le signal de 4T est injecté dans des guides, puis diffracté par les sillons. Le signal légèrement défocalisé permet d’obtenir la superposition non redondante des différentes paires de télescopes, et ceci en fonction de la longueur d’onde. Les électrodes en amont permettent de varier la phase relative entre les entrées et donc balayer les franges sur le détecteur. Grâce à la diffraction quasi-normale du réseau, correspondant à un ordre de diffraction assez élevé, on peut atteindre une très haute résolution spectrale. Nous avons déjà obtenu des résultats préliminaires dans le proche infrarouge, montrant un pic diffracté se déplaçant sur le capteur CCD lorsque la longueur d'onde est balayée [Martin14]. Notons que, avec une lentille f = 50mm, nous pouvons atteindre R = 1200 dans la bande L, alors que tout le système optique peut être contenu dans un volume 1dm3, permettant la spatialisation (un projet avec Nanosat-LAM, en ajoutant leurs compétences sur les détecteurs courbes, pourrait être considéré). Aussi, ce travail de miniaturisation est essentiel dans le cadre des développements d’interféromètres optiques intégrés basés sur Lithium Niobate, actuellement en cours (Projet FIRST, coll. avec S. Lacour au LESIA, voir [Lacour14]). REFERENCES [Avrutsky06] I. Avrutsky, K. Chaganti, I. Salakhutdinov, G. Auner, "Concept of a miniature optical spectrometer using integrated optical and micro-optical components," Applied Optics, 45 (30), 7811-7817 (2006). [Coarer07] E. Le Coarer, S. Blaize, P. Benech, I. Stefanon, A. Morand, G. L’erondel, G. Leblond, "Wavelength-scale stationary-wave integrated Fouriertransform spectrometry," Nature Phot. (London) 1,473-478 (2007). [Kern09] P.Kern, E. Le Coarer, & P. Benech, On-chip spectro-detection for fully integrated coherent beam combiners. Optics Express, 17, 1976. (2009). doi:10.1364/OE.17.001976 [Lacour14] “CubeSats as pathfinders for planetary detection: the FIRST-S satellite”. S. Lacour, V. Lapeyrère, L. Gauchet, S. Arroud, R. Gourgues, G. Martin, S. Heidmann, X. Haubois, G. Perrin. Proceedings of the SPIE, Volume 9143, id. 91432N 6 pp. (2014). [Martin14] “High Resolution TE&TM Near Infrared Compact Spectrometer based in Integrated Optics” G. Martin, F. Thomas, S. Heidmann, M. de Mengin, N. Courjal, G. Ulliac, A. Morand, P. Benech, P. Kern, E. Le Coarer, accepted for oral presentation at SPIE Optics&Optoelectronics, 2015. [Thomas14] “First Results in Near and Mid IR Lithium Niobate-Based Integrated Optics Interferometer Based on SWIFTS-Lippmann Concept” Thomas, F. ; Heidmann, S. ; de Mengin, M. ; Courjal, N. ; Ulliac, G. ; Morand, A. ; Benech, P. ; Le Coarer, E. ; Martin, G. Journal of Lightwave Technology, 32 (22), (2014). Ecole doctorale EEATS - Bâtiment Pluriel, 701 rue de la piscine, BP 81, 38402 Saint Martin d'hères cedex web: http://www.edeeats.inpg.fr - E.mail : [email protected]