Une technologie de détection d’empreinte moléculaire qui tient sur le bout du doigt
La technologie de l’intégration photonique dans les puces de silicium a énormément évolué, les progrès les plus importants ayant sans doute été accomplis dans les secteurs des télécommunications et des technologies de l’information. Le projet INsPIRE, financé par le Conseil européen de la recherche (CER), a donné une toute nouvelle orientation à cette technologie avec l’intégration de composants mi-IR sur une puce unique pour un système d’identification efficace et portable de molécules telles que les agents pathogènes présents dans l’air, les aliments et les échantillons médicaux.
Un ensemble unique de fonctions optiques intégrées à large bande
Les méthodes spectroscopiques exploitent l’absorption et la réflexion de la lumière par la matière, en extrayant des signatures spectrales permettant d’identifier les matériaux présents en fonction de leurs spectres caractéristiques. La gamme des longueurs d’onde mi-IR contient la plage correspondant aux empreintes (dite «fingerprint region» en anglais, à peu près entre 2,5 et 10 µm) associée à l’étirement, à la vibration et à la rotation des molécules. Le modèle d’émission spectrale, ou «empreinte moléculaire», est unique à chaque molécule spécifique, la spectroscopie mi-IR permettant ainsi d’identifier très précisément les molécules dans un échantillon. INsPIRE a entrepris de développer une nouvelle plateforme photonique intégrée sur silicium riche en germanium, pour la détection des empreintes moléculaires. Comme l’explique la chercheuse principale Delphine Marris-Morini, «elle exploite les avantages de la technologie photonique sur silicium, notamment sa maturité, ses capacités de fabrication à grande échelle et le fort confinement de la lumière. Elle tire également parti de la vaste plage de transparence du germanium qui s’étend jusqu’à 15 µm. En comparaison, l’oxyde de silicium est transparent jusqu’à 3,8 µm et le silicium jusqu’à 8 µm.» Cette vaste plage de transparence signifie que les matériaux optiques utilisés n’absorbent pas et ne réfléchissent pas la lumière dans cette plage, ce qui implique qu’ils n’entravent aucunement sa propagation. La conception photonique intégrée monolithique réduit l’espace nécessaire, ce qui donne un système de détection d’empreinte sur puce qui tient sur le bout du doigt.
Vous avez réclamé une révolution
INsPIRE a évalué les propriétés optiques de la plateforme envisagée et a développé un nouvel ensemble de fonctions optiques. Au moment de s’aventurer en terrain inconnu, Delphine Marris-Morini se souvient: «Nous nous sommes rendu compte que l’équipement dont nous avions besoin pour tester nos dispositifs mi-IR était beaucoup moins développé que pour les longueurs d’onde de l’infrarouge proche, où les applications de télécommunications ont stimulé l’innovation. Nous avons dû construire notre propre rotateur de polarisation à large bande et nous avons souvent acheté des prototypes ou des dispositifs qui venaient d’être commercialisés.» Au bout du compte, l’équipe a véritablement changé le monde de la spectroscopie mi-IR, une évolution qui a donné lieu à plusieurs premières mondiales avec des structures résonantes fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde des 8 µm: des résonateurs mi-IR intégrés de Fabry-Perot basés sur les réseaux de Bragg, des résonateurs en hippodrome intégrés à large bande et un spectromètre mi-IR à transformée de Fourier à large bande à haute résolution en silicium-germanium. Bien que le développement de modulateurs optiques mi-IR n’ait pas été prévu au début du projet, l’équipe a décroché un autre record: la première modulation optique dans un circuit photonique mi-IR fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde comprise entre 5,5 et 11 µm.
Une photonique mi-IR intégrée pour une application à grande échelle
Delphine Marris-Morini résume: «En repoussant les limites du champ des possibles, nous avons construit des spectromètres à haute résolution sur puce, opérant sur une plage de fréquences mi-IR ultra large (en principe entre 1,5 et 15 µm), dont le circuit occupe une surface inférieure à un centimètre carré.» Cette technologie ouvre la voie à des capteurs portables et peu coûteux, pour des applications allant de la surveillance environnementale en temps réel des polluants à la sécurité alimentaire, en passant par les diagnostics médicaux précoces.
Mots‑clés
INsPIRE, infrarouge moyen, mi-IR, photonique, longueur d’onde, molécule, optique, moléculaire, spectromètre, silicium, empreinte, spectral, spectroscopie, plateforme, résonateur, infrarouge, intégration monolithique, germanium, système sur puce, guide d’ondes, indice de réfraction
