Thèse Swifts Gabor Multiplex un Concept Novateur de Spectromètre Ultra-Compacten Optique Intégrée pour la Détection de Polluants Atmosphériques In Situ et en Temps Réel H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Centre de Radiofréquences, Optique et Micro-nanoélectronique des Alpes Direction de la thèse : Alain MORAND ORCID 0000000328882861 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Ce projet adresse des thématiques scientifiques liées à la spectrométrie intégrée on-chip, avec comme applications principales : a) La Spectrométrie haute résolution pour les applications environnementales : Monitoring de Gaz (CO2, CH4...in situ et embarquée) b) La métrologie Lasers Télécom (profils de raie d'émission, monitoring des réseaux télécom) et c) La mesure de contraintes par réflectométrie sur Fibres de Bragg. En spectrométrie, une multitude d'approches sont possibles : des réseaux dispersifs, des spectromètres à transformée de Fourier (FTS,) des réseaux de guides d'ondes (AWG). Les systèmes FTS mettent en oeuvre des algorithmes d'étalonnage efficaces qui compensent la phase et les dégradations d'amplitude (plus de robustesse). Le FTS sur puce proposé ici repose sur le principe d'interférométrie d'onde stationnaire (SWIFTS). L'intérêt du SWIFTS est d'atteindre une très haute résolution spectrale grâce à un système compact, léger et de faible dimension (typ.
Cette thèse se situe dans la continuité des travaux menés dont une publication récente (Morand, Alain, et al. 'Innovative monolithic integrated optic SWIR SWIFTS without lens between unprotected InGaAs area image sensor and optical glass chip surface.' Optics Express 33.16 (2025)), qui nous ont permis notamment de valider l'utilisation d'un réseau de nano-émetteurs directionnels (antennes) en surface du composant, équivalent à un mini-réseau de diffraction, pour réduire le cône d'émission et concentrer la totalité du flux diffracté vers un pixel unique du détecteur. Cela rend possible la mesure avec des détecteurs SWIR (qui n'ont pas les mêmes propriétés que les détecteurs visibles) sans optique de relais (amélioration de l'efficacité de détection, supprimant la diaphonie produite par le signal capté par les pixels adjacents).La nouveauté de cette thèse est de :
a) proposer une nouvelle approche basée sur une configuration en boucle Gabor (faisceaux contrapropagatifs) et non pas en réflexion Lippmann (interférence entre l'onde et son reflet sur un miroir en bout de guide)

b) augmenter l'étendue spectrale (ou la sensibilité de l'instrument) en ajoutant du multiplexage spatial : Plusieurs guides en parallèle, pour échantillonner correctement le signal et optimiser l'utilisation des pixels du détecteur constitué d'une matrice 2D.

c) rendre opérationnel le spectromètre en utilisant des principes interférométriques simples pour transformer dans la puce optique des raies d'absorption (difficiles à distinguer dans un fond continu intense) en raies d'émission.

Ces trois aspects, notamment la reconstruction d'un spectre de haute résolution et de large étendue spectrale, grâce à un concept de boucle Gabor multiplex est une nouveauté qui n'a jamais été démontrée expérimentalement. De plus, l'intégration dans la même puce de l'étape de transformation du signal d'absorption en signal d'émission, devrait transformer radicalement la sensibilité du spectromètre intégré, rendant possible son utilisation dans des environnements autres que la caractérisation de lasers.
Les techniques de spectrométrie optiques sont utilisées avec efficacité depuis plus d'un siècle dans une multitude de domaine. Il existe des approches basées sur des réseaux dispersifs, des spectromètres à transformée de Fourier (FTS,) ou des réseaux de guides d'ondes (AWG). Le FTS sur puce proposé ici repose sur un principe d'interférométrie d'onde stationnaire (SWIFTS). L'intérêt du SWIFTS est d'atteindre une très haute résolution spectrale grâce à un système compact, léger et de faible dimension (typ. 10 000 ou un pouvoir de séparation en longueur d'onde bien inférieur à 1nm. Cette efficacité doit être aussi possible sur une large bande spectrale c'est à dire une plage en longueurs d'onde de l'ordre de 200nm. Pour cela, on s'appuie sur les compétencestechniques mises en place sur la réalisation d'un SWIFTS Gabor à un guide (Technologie IoNext de TeemPhotonics, plate-formetechnologique de CROMA et de la PTA). La mesure de l'OPD nul sur chaque guide est crucial pour rabouter la réponse de l'ensemble des guides en parallèle.

Valider le concept « d'inversion » du signal (raies d'absoprtion => « raies d'émission ») dans la puce optique, puis valider la sensibilitédu système en termes de détection de gaz dans des faibles concentrations (ppm).

Ces étapes validées, elles pourront amener à des actions de valorisation, qui font partie intégrante des activités des encadrants,puisque nous sommes dans des projets de transfert de technologie vers Teem Photonics (Meylan) pour la partie couplage guides +antennes et pour l'assemblage d'un détecteur commercial avec nos composants optiques.

Grâce à cette thèse, l'étudiant(e) pourra valider un concept de spectromètre dans un environnement opérationnel (en milieu extérieur pour la mesure de la colonne densité du CO2), avec des fonctionnalités standard : résolution R ~ 20000 pour une longueur du dispositif de 10,2mm (4 zones multiplexées de 128pixels de 20um à court terme) sur une bande spectrale en longueurs d'ondes de 200nm.Idéalement, nous pourrons faire la démonstration d'un prototype de spectromètre en optique guidée en TRL 6, qui pourrait être industrialisé ensuite via la plateforme ioNext de l'industriel Teem Photonics. Afin de reconstruire un spectre de haute résolution et grande étendue spectrale, il est nécessaire d'échantillonner correctement l'onde stationnaire générée par deux ondes contra-propagatives dans le guide. Cela nécessite idéalement un échantillonnage à lambda/4neff, qui est largement inférieur à la distance entre deux pixels de la matrice de détecteurs. Une première solution consiste à utiliser plusieurs guides en parallèle (quelques dizaines) pour décaler idéalement la position des centres d'échantillonnage (antennes) de l'équivalent de lambda/4neff entre chaque guide, et donc augmenter le nombre de points de mesure.
Un premier axe de travail est donc de simuler le signal échantillonné par les antennes décalées, puis reconstruire le signal synthétique à partir de l'aboutage des signaux obtenus sur chaque guide. Cela permettra de mettre en avant l'influence de nombreux paramètres de la structure et la précision à laquelle ils doivent être maitrisés.
Un deuxième axe de travail est la calibration spectrale des antennes, car la reconstitution de l'interférogramme synthétique nécessite de connaître parfaitement l'efficacité d'extraction de chaque antenne, en fonction de la longueur d'onde. La position du réseau d'antenne par rapport à l'interférogramme doit aussi être mesurée pour garantir le fonctionnement du multiplexage des guides.
Un troisième axe consistera à simuler, caractériser et optimiser l'étape d'inversion du signal (pour passer d'un signal en absorption à un signal en émission) en utilisant un interféromètre en configuration de frange sombre. Des briques de bases devront être réalisées pour les valider cette approche, avant une réalisation complète du dispositif. Cette validation peut se faire dans un premier temps en optique fibrée puis en en optique intégrée.
Enfin, un quatrième axe sera l'intégration de cuves à gaz fibrées, pour tester la sensibilité du spectromètre complet pour la détection de gaz de référence (CO2, CH4).

Étudiant(e) sortant d'une formation type M2 de Physique Recherche & Innovation, Physique Générale, Optique, Optoélectronique ou Ecole d'Ingénieur ayant de solide base en optique et optique guidée (Sup Optique, Phelma, ...)

Étudiant(e) à profil plutôt expérimental, caractérisation optique, montage de bancs optiques, avec des connaissances en programmation (Python) pour traiter numériquement les données mesurées par le détecteur et éventuellement des connaissances sur les logiciels d'acquisition comme labview peut-être un plus.

Avoir, si possible, une expérience dans la caractérisation de guides d'onde (propagation) sur lesquelles nous avons réalisé des nano-antennes (diffraction). Avoir des compétences en traitement des données, reconstruction du spectre par Transformée de Fourier inverse, méthodes d'inversion (Matrices Pseudo-Inverses), minimisation (moindres carrés) serait un plus.