Source COMB intégrée sur plateforme SiGe nonlinéaire émettant dans le moyen infra-rouge – MIRSiCOMB

MIRSICOMB, pour « nonlinear integrated Mid-IR SiGe-based frequency COMB » a pour ambition de développer une plateforme photonique intégrée sur du SiGe (alliage silicium germanium), opérant dans le moyen infrarouge (MIR_région couvrant la gamme de longueur d’onde 3 um à 15 um) et plus spécifiquement orientée vers des applications capteurs. Le MIR suscite un intérêt considérable dans la communauté scientifique et technologique. Une caractéristique notable du MIR réside dans le fait que la plupart des composés chimiques et biologiques qui ont trait à notre santé, notre sécurité, notre environnement, ont une forte signature spectrale dans le moyen infrarouge. Le MIR offre donc logiquement des opportunités uniques pour le développement de technologies à fort impact sociétal (applications capteurs, défense, sécurité industrielle, environnementale…) et fondamental (chimie, biologie, astrophysique…). L’engouement autour des activités MIR s’est considérablement accru ces dernières années grâce à l’avènement de nouvelles sources notamment les lasers à cascade quantique (QCL) et antimoniures, qui ont supplanté les sources thermiques type « corps noir » et leur puissance de sortie relativement faible. Cependant, malgré son potentiel reconnu, la technologie MIR reste encore limitée dans son éventail d’applications, et ce en grande partie à cause de l’encombrement des dispositifs MIRs et des coûts prohibitifs des instruments utilisés dûs au manque de dispositifs optiques MIR compacts. Les composants optiques opérant dans cette gamme de longueur d’onde ont longtemps été restreints à des composants discrets opérant en espace libre, et à de simples guides passifs, généralement à base de fibres multimodes en chalcogénure, ou coeur creux. La technologie MIR bénéficierait par conséquent des concepts développés par la nanophotonique ainsi que d’une miniaturisation et d’une intégration sur puce des composants optiques MIR. La pierre angulaire de ce projet repose sur la « siliconisation » du MIR et l’asservissement des photons MIR par des dispositifs photoniques intégrés. Nous exploiterons l’alliage silicium/germanium, sa transparence et ses propriétés optiques remarquables dans le MIR comme matériau de base et le savoir-faire considérable développé par la communauté photonique Si, notamment en termes de structures optiques (guides ingénierés, micro résonateurs, résonateurs en anneaux…) permettant le contrôle du photon à l’échelle de la longueur d’onde (mais encore principalement restreint aux gammes NIR) pour le développement d’une photonique intégrée MIR. Ce circuit intégré photonique (CIP) – reposant sur une intégration dense d’éléments compacts cascadés, tels que des sources, des éléments de transports (guides), des éléments d’interrogations (i.e spectromètres), des composants intelligents (non linéaires), des détecteurs – fournira une architecture de détection rapide, précise, extrêmement sensible, et compatible avec l’interrogation simultanée de multiples analytes. Dans le chemin qui mène à la réalisation de cette puce optique MIR, le projet MIRCOMB se concentrera sur l’un des enjeux fondamentaux du MIR intégré, à savoir les sources. Pour ce faire, nous exploiterons les propriétés non linéaires espérées remarquables du SiGe à ces hautes longueurs d’onde et l’exploitation de processus non linéaires de type X(3) pour générer de la lumière cohérente sur une très large bande spectrale (couvrant plusieurs centaines de nm voire plus dans la gamme 3-15 um). Il s’agit ici de développer i) des sources blanches MIR type « supercontinuums » et des ii) sources multi-spectrales, ou peignes de frequences type « COMBS ». Le démonstrateur final consistera en une source hybride obtenue par collage d’un QCL puissant mais extrêmement compact avec un dispositif SiGe permettant la génération d’un peigne de fréquences.