Optique intégrée et capteurs photoniques

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Description GEI 724
Optique intégrée et capteurs photoniques
3 crédits
Département de génie électrique et de génie informatique
Faculté de génie
Université de Sherbrooke

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GEN724 : Optique intégrée et capteurs photoniques (3 cr.)
COMPÉTENCES
1. Concevoir des composantes d'optique intégrée à base de guides d'ondes plans et de guides
d'ondes à profil rectangulaire;
2. Concevoir un système de mesure des perturbations d'indice de réfraction en surface d'un
diélectrique sondé;
3. Concevoir un biocapteur à base d'optique intégrée à partir d’un cahier des charges;
CONTENU
- Confinement optique dans un guide d'ondes;
- Développement d'un logiciel Matlab pour le calcul des modes guidés dans des guides d'ondes;
- Calcul de l'indice effectif et du profil du champ électrique des modes guidés;
- Couplage directionnel par champ évanescent;
- Systèmes résonnants en anneau;
- Détection de changements de phase par interférométrie;
- Ondes de surface et résonance par plasmons de surface;
- Détection de biomolécules par le biais d'un changement en surface de l'indice de réfraction du
milieu liquide.
VOLUMES DE RÉFÉRENCES ET DOCUMENTATION
- Guide de l’étudiant
- Extraits de livres de références
PERSONNE RESSOURCE
- Paul Charette
LIVRABLES ET ÉVALUATIONS
Évaluation
GEI724-1
GEI724-2
GEI724-3
Validation de la problématique
50
50
50
Examen sommatif (individuel)
100
100
100
Présentation (équipe de 2)
50
50
50
Examen final (individuel)
100
100
100
Total
300
300
300

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PRESTATION
Cette activité est donnée sous la forme d’unité d’APP. L’unité est répartie sur 3 semaines. L’organisation
est la suivante :
Semaine 1
- Tutorat #1: Lecture du problème, discussion des nouveaux concepts, formulation de la solution à
mettre en oeuvre;
- Formation à la pratique procédurale #1 (exercices dirigés), 3h00;
- Formation à la pratique en laboratoire #1, 3h00;
- Formation à la pratique procédurale #2 (exercices dirigés), 3h00;
- Formation à la pratique en laboratoire #2, 3h00.
Semaine 2
- Formation à la pratique procédurale #3 (exercices dirigés), 3h00;
- Formation à la pratique en laboratoire #3, 3h00;
- Validation de la solution en laboratoire par équipe de 2 étudiants, 3h00;
- Tutorat #2: validation des connaissances et des compétences à acquérir, partage des stratégies de
solution, comparaison des résultats obtenus par les différentes équipes, analyse critique des résultats.
Semaine 3
- Examen sommatif de 3h;
- Présentations étudiantes par groupes de 2 étudiants;
- Rencontres avec les intendants.
Fin de session
- Examen final.

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1. Énoncé de la problématique
Une compagnie vous demande de concevoir un capteur capable de détecter la présence dans l’eau de
molécules toxiques pour les grenouilles dans le but de déclencher l’alarme quand les conditions dans
l’étang de la compagnie sont nuisibles pour la survie des grenouilles.
Ayant eu vent que vous avez étudié à l’Université de Sherbrooke où vous avez reçu une formation en
conception de capteurs à base de photonique intégrée et que, de surcroit, l’UdeS héberge un centre de
micro/nanofabrication mondialement connu (www.usherbrooke.ca/3it/fr/equipe/unites-de-recherche/,
suivez le lien pour le CRN2), la compagnie vous demande de concevoir le capteur requis. En effet, il y va
de la survie même des grenouilles.
Vous en discutez avec vos collègues au 3IT.nano qui vous recommandent un capteur en photonique
intégrée à base de résonateur en anneau tel que montré dans la Figure 1, fabriqué sur substrat SOI (silicon
on insulator) dont l'épaisseur de la couche device fait 220 nm. Les indices de réfraction des matériaux sont
indiqués à la Figure 2, ainsi que l’espacement entre le guide bus et l’anneau tel que fixé par les contraintes
de fabrication. Les guides doivent être monomodes pour maximiser la sensibilité du capteur et être le plus
large possible. Toujours pour des raisons de contraintes de fabrication, le rayon de courbure des coins de
l’anneau sera de 2 μm (engendrant des pertes par bending loss de -0.15 dB pour chacun des coins) et le
pas des réseaux de couplage sera de 1 μm pour lequel vous devrez calculer l’angle de couplage approprié.
Comme source lumineuse, vous utiliserez un laser à semi-conducteur qui émet à 1.55 μm et qui est
polarisé linéairement selon l’axe y. Notez que, comme les pertes par absorption dans un guide SOI sont
Figure 1: Diagramme du résonateur en anneau
entrée sortieguide bus
anneau
résonant
Réseau de
couplage
(pas de 1 μm)
y
z
distance d’interaction
rayon de courbure de 2 μm
Q = 1500 minimum
x
taper

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extrêmement faibles, les pertes par propagation dans l'anneau seront dues principalement aux pertes par
bending loss dans les quatre coins et ne dépendent donc pas des dimensions de l'anneau. En choisissant
judicieusement les dimensions de l’anneau, vous vous assurez que (1) le point d’opération du capteur sera
décalé d’environ FWHM/3 de la résonance et que (2) le facteur de qualité, Q, sera d’au minimum 1500.
Lors de la validation, vous devrez justifier vos choix de conception avec des graphiques des résultats de
vos simulations à l’appui (voir la grille d’évaluation à la fin de Guide).
En utilisant les composantes appropriées, vous vous êtes assuré(e) que le système est 100% efficace
optiquement, soit que : (1) toute la puissance du laser sera injectée dans le guide bus par le coupleur à
réseau, (2) toute la puissance optique émise par le réseau de couplage en sortie sera concentrée sur la
surface du photodétecteur, et (3) la plage dynamique du signal lumineux en sortie correspond exactement
à la plage dynamique du photodétecteur (le photodétecteur n’est jamais en saturation). Du point de vue
de l’électronique, vous devez déterminer sur combien de bits numériser le signal pour obtenir la
résolution de mesure voulue, avec calculs à l’appui.
Après avoir discuté avec un expert en grenouilles, vous déterminez que la substance la plus toxique pour
celles-ci risque fort de provenir de fluides biologiques excrétés en cachette par les employées de la
compagnie dans l’étang après les partys de bureau, ce qui est d’ailleurs formellement interdit. Votre
collègue expert vous dit que la dépendance de l’indice de réfraction en fonction d’un changement de
concentration volumique dans l’eau de cette substance est de 10-5 RIU/pM (indice nominal de l’eau = 1.4
RIU). Votre collègue expert vous dit que les grenouilles peuvent tolérer une augmentation d’au plus 1 pM
en concentration de la substance toxique avant de succomber.
Comme il existe plusieurs configurations possibles pour des capteurs à base de photonique intégrée et
que vous êtes mus par un souci de professionnalisme qui frise le zèle, vous écrivez un rapport d’une page
qui compare les avantages et désavantages du résonateur en anneau comme choix technologique de
mesure versus des systèmes à base de SPR ou d’interféromètre Mach-Zehnder. Dans la mesure du
possible, vos comparaisons doivent être quantitatives avec formules mathématiques à l’appui en citant
sur quelle base vous faites vos comparaisons (i.e. dimensions des systèmes, matériaux utilisés, etc.).
Figure 2 : Vue en coupe des guides d‘onde
épaisseur (220 nm)
SiO2(1.5)
milieu liquide (1.4)
Si (3.45)
largeur
x
y
Si (3.45)
largeur gap
(300 nm)
anneau bus
z