ecole doctorale eeats - Institut de Planétologie et d`Astrophysique de

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 : [e-mail]
ECOLE DOCTORALE EEATS
Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal
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)
[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 compacts basés sur
l’échantillonnage électro-optique et l’optique guidée.
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 : [e-mail]
ECOLE DOCTORALE EEATS
Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal
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 : [e-mail]
ECOLE DOCTORALE EEATS
Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal
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).
Z
X
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 spectro-
interféromètre 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 : [e-mail]
ECOLE DOCTORALE EEATS
Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal
X
Z
GND
Electrodes
V4
GND
V2
V3
GND
V1
Z
X
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 Fourier-
transform 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).