CAvité MultI-diéleCtrique Active à mode de Bloch pour capteur de gaZ optiquE – CAMICAZE

Le développement de capteurs de gaz constitue une clef pour répondre à la pression grandissante des défis liés à la santé, à l’environnement et à la transition énergétique. Malgré des enjeux économiques et sociétaux élevés, il n’y a pas à ce jour de technologie générique permettant de mesurer avec la fiabilité et la précision requise la présence de composés organiques volatils en milieu non contrôlé. L’objectif du projet CAMICAZE vise à combler cette carence, en développant un capteur optique pour détecter spécifiquement du formaldéhyde et de l’acétaldéhyde en quantité sub ppm en milieu confiné, tout en offrant à moyen terme un potentiel de miniaturisation et d’intégration à large échelle.
Le principe de détection s’appuie sur une exaltation géante du champ optique dans la zone sensible du capteur grâce au concept innovant dit de « couche à admittance nulle ». Nous utilisons un système de multicouches diélectriques conçu par synthèse analytique favorisant l’ingénierie de l’exaltation optique. Cette méthode offre la possibilité inédite de définir arbitrairement les conditions de résonance du composant. Elle ouvre la voie à l’interrogation simultanée de multiples sites de détection au sein d’un même capteur (détection matricielle).
Dans ce projet, l’Institut Fresnel étendra ce procédé de synthèse à la photonique intégrée sur substrat monolithique et au domaine des microcavités semi-conductrices électroluminescentes. La structure de base du capteur est constituée d’une hétérostructure active recouverte d’un multicouche diélectrique et d’une couche d’admittance nulle. La couche active fournit un spectre d’émission dont certaines fréquences sont fortement exaltées (plusieurs décades) par le composant multicouche, dans des fenêtres fréquentielles très étroites en direction et longueur d’onde. Le pic intense de luminescence est découplé via un réseau de diffraction et collecté avec une fibre optique multimode reliée à un spectrophotomètre. La résolution de la détection est garantie par l‘extrême sensibilité à la contamination des pics spectraux mesurés (décalages pico-métriques), en lien avec l’exaltation du champ évanescent dans la zone d’exposition aux contaminants. La sélectivité est assurée par une fonctionnalisation chimique au voisinage de la zone active. Une puce micro-fluidique encapsulant le composant vient compléter le système.
Ce projet pluridisciplinaire couple ainsi des expertises de l’optique électromagnétique, de la croissance épitaxiale, de la fonctionnalisation et de l’intégration micro-fluidique au niveau d’un système. La fabrication par croissance épitaxiale des couches actives est assurée par le CRHEA, et la fonctionnalisation des surfaces diélectriques est réalisée par Femto-ST. Le LAAS intégrera les composants dans des microsystèmes fluidiques, et mènera la caractérisation des performances des capteurs en termes de sensibilité, limite de détection et sélectivité. L’Institut Fresnel assurera également les développements de métrologie optique.