SWIFTS Gabor Multiplex : un concept novateur de spectromètre ultra-compact en optique intégrée pour la détection de polluants atmosphériques in situ et en temps réel // SWIFTS Gabor Multiplex : integrated optic spectrometer for detecting atmospheric pollu

Ce projet adresse des thématiques scientifiques liées à la spectrométrie intégrée on-chip, avec comme applications principales : la Spectrométrie haute résolution pour les applications environnementales : Monitoring de Gaz (CO2, CH4…in situ et embarquée) et la métrologie Lasers Télécom (profils de raie d'émission, monitoring des réseaux télécom). 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. <10cm x 5cm x 1cm, détecteur inclus). Dans un SWIFTS, on génère à l'intérieur même du guide d'onde, un interférogramme produit par deux ondes contra-propagatives obtenues par la division du faisceau optique puis recombinées en utilisant une configuration en boucle (Mode Gabor). Ce motif d'interférence est alors diffracté vers le détecteur situé au-dessus du guide par un réseau de discontinuités métalliques de tailles nanométriques, sans aucune pièce mobile. Ce projet s'inspire du SWIFTS Visible (Mode Lippmann, interférence par réflexion sur un miroir) qui a permis la création de la start-up Resolution Spectra Systems (aujourd'hui rachetée par Merck), avec deux brevets UGA/Grenoble INP-UGA/CNRS, utilisant des guides d'onde par échange d'ions dans le verre. Les contraintes propres à la bande de longueurs d'onde visée SWIR (1000-2500nm) nécessitent la résolution de problèmes nouveaux qui sont l'objet de plusieurs travaux de recherche.

Cette thèse se situe dans la continuité des travaux menés sur des thèses précédentes qui ont permis notamment de valider l'utilisation d'un réseau de nano-émetteurs directionnels (antennes) en surface du composant. Cette antenne est équivalente à un mini-réseau de diffraction qui réduit le cône d'émission et concentre la totalité du flux diffracté vers un pixel unique du détecteur, afin de rendre possible la mesure avec des détecteurs SWIR (qui n'ont pas les mêmes propriétés que les détecteurs visibles) sans optique de relais, ce qui conduit à l'amélioration de l'efficacité de détection en supprimant la diaphonie produite par le signal capté par les pixels adjacents.
L'originalité de cette thèse est de :
a) proposer une nouvelle approche basée sur une configuration en boucle dit de Gabor (faisceaux contrapropagatifs) et non pas en configuration de réflexion dit de Lippmann (interférence entre l'onde et son reflet sur un miroir en bout de guide). Au prix d'un composant un peu plus complexe, la configuration de Gabor permet de réduire des défauts majeurs des systèmes de Lippman.
b) augmenter l'étendue spectrale (ou la sensibilité de l'instrument) en appliquant un concept de multiplexage spatial : Plusieurs guides en parallèle, pour échantillonner correctement le signal et optimiser l'utilisation des pixels de la matrice de détecteurs 2D disponible
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 » apparentes.
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 n'a jamais été démontrée expérimentalement, bien que conceptuellement sans difficultés. De plus, l'intégration dans la même puce de l'étape de transformation d'un spectre d'absorption en un spectre similaire « d'émission », permettrait de transformer radicalement la sensibilité du spectromètre intégré, rendant possible son utilisation dans des applications bien plus variées que la caractérisation de lasers.
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This project addresses scientific themes linked to integrated on-chip spectrometry, with the following main applications: high-resolution spectrometry for environmental applications: gas monitoring (CO2, CH4... in situ and on-board) and telecom laser metrology (emission line profiles, telecom network monitoring). Optical spectrometry techniques have been used effectively for over a century in a multitude of fields. They are based on dispersive gratings, Fourier transform spectrometers (FTS,) or waveguide gratings (AWG). The on-chip FTS proposed here is based on the principle of standing-wave interferometry (SWIFTS). The advantage of SWIFTS is that it achieves very high spectral resolution in a compact, lightweight system of small dimensions (typically <10cm x 5cm x 1cm, including detector). In a SWIFTS, an interferogram produced by two counter-propagating waves obtained by splitting the optical beam and then recombining it using a loop configuration (Gabor mode) is generated inside the waveguide itself. This interference pattern is then diffracted towards the detector above the waveguide by a network of nanometer-sized metallic discontinuities, with no moving parts. This project is inspired by SWIFTS Visible (Lippmann mode, interference by reflection on a mirror), which led to the creation of the start-up Resolution Spectra Systems (now acquired by Merck), with two UGA/Grenoble INP-UGA/CNRS patents, using ion-exchange waveguides in glass. Constraints specific to the SWIR wavelength band (1000-2500nm) require the resolution of new problems, which are the subject of several research projects.

This thesis follows on from work carried out in previous theses, which validated the use of a directional nano-emitter array (antenna) on the surface of the component. This antenna is equivalent to a mini-diffraction grating that reduces the emission cone and concentrates the entire diffracted flux on a single pixel of the detector, making it possible to measure with SWIR detectors (which do not have the same properties as visible detectors) without relay optics, thus improving detection efficiency by eliminating the crosstalk produced by the signal detected by neighbouring pixels.

The originality of this thesis is decomposed in different parts :
a) propose a new approach based on a Gabor loop configuration (contrapropagative beams) rather than a Lippmann reflection configuration (interference between the wave and its reflection on a mirror at the end of the guide). At the cost of a slightly more complex component, the Gabor configuration makes it possible to reduce the major shortcomings of Lippmann systems.
b) increase the spectral range (or sensitivity of the instrument) by applying a spatial multiplexing concept: several guides in parallel, to correctly sample the signal and optimize pixel utilization of the available 2D detector array.
c) make the spectrometer operational by using simple interferometric principles to transform absorption lines (difficult to distinguish in an intense continuum background) into apparent “emission lines” in the optical chip.
These three aspects, in particular the reconstruction of a high-resolution spectrum with a wide spectral range, thanks to a multiplex Gabor loop concept, have never been demonstrated experimentally, although conceptually without difficulty. What's more, integrating the transformation of an absorption spectrum into a similar “emission” spectrum on the same chip would radically transform the sensitivity of the integrated spectrometer, making it possible to use it in applications far more varied than laser characterization.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Étudiant(e) sortant d'une formation type M2 de Physique Recherche & Innovation, Physique Générale, Optique, Optoélectronique, 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, Matlab …), logiciels de pilotage d'instruments (Labview) et éventuellement des connaissances sur les logiciels de simulation en photonique. 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 Il en va de même pour la modélisation des phénomènes de propagation et d'interférence du signal optique dans les guides d'onde et extraction de ceux-ci grâce aux plots diffusants.
Graduating from a M2 course in Physics Research & Innovation, General Physics, Optics, Optoelectronics, Engineering School with a solid background in optics and guided optics (Sup Optique, Phelma, ...) Student with a rather experimental profile, optical characterization, assembly of optical benches, with knowledge of programming (Python, Matlab ...), instrument control software (Labview) and possibly knowledge of photonics simulation software. If possible, experience in characterizing waveguides (propagation) on which we have built nano-antennas (diffraction). Skills in data processing, spectrum reconstruction by inverse Fourier Transform, inversion methods (Pseudo-Inverse Matrices), minimization (least squares) would be a plus. The same applies to the modeling of optical signal propagation and interference phenomena in waveguides, and their extraction using scattering pads.