Wide band integrated spectrometers

El Ahdab, Ranim (2024). Wide band integrated spectrometers. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Near-infrared (NIR) spectroscopy is an attractive technology for the detection of molecules. It enables compounds to be identified rapidly. One main issue plaguing NIR sensing is that most equipment is bulky and is often laboratory-based. Hitherto, miniaturized counterparts are facing several technological challenges: low power requirement, suitable optical filter for field use, uncooled detector operation at elevated temperature and the utilization of an appropriate packaging that confers physical and chemical protection. Because of these limitations, samples have to be brought back from the field for analysis. Often, it is challenging to survey samples with fast deterioration. To address the current limitations, novel designs field operable miniaturized MIR spectrometers are proposed in this thesis. The scope of this thesis covers the design and simulation results of integrated spectrometers capable of operating over wide wavelength bands. In particular, the tailored designs of the concave grating for interferometric filters are discussed. Interferometric filters are arguably considered to be superior to other kinds of filters for integrated spectroscopy.

The ubiquitous presence of Micro-opto-mechanical-systems (MEMS) and integrated photonics is poised to have significant impacts on many fields, including spectroscopy. In this Ph.D. thesis, we strive to combine integrated optics with MEMS on the same platform to create novel system-on-chips (SoC). The targeted SoC devices are two different types of spectrometers that can cover a wide range of operational wavelengths and provide solutions for reducing cost by cutting the need for a single array or multiple array of photodetectors. This Ph.D. exploit the benefits obtained by the marrying these two technologies toward miniaturizing subsystems tailored for tunable spectrometers and sensing spectrometers while achieving state-of-the-art performance. We propose the design and simulation results of two tunable MOEMS spectrometers in a monochromator set-up and propose an in-house fabrication process to minimize the fabrication steps. Some envisioned benefits include cost reductions resulting in a wider access to hand-held spectrometers, and high-volume fabrication through batch processing.

The focus of this research is to design and optimize with simulations that account for fabrication variations two different types of spectrometers. The first design is a continuously tunable MEMS-based optical spectrometer in a monochromator set-up. The novel integrated micro-opto-mechanical-system spectrometer consists of a tailored concave grating design to be fabricated in a planar waveguide that is connected to a rotational electrostatic actuator, which enables angular tuning of the grating. The spectrometer covers a wide operational wavelength range (>100 nm), covering partially the E and fully the S, C, L-band (1416.6 nm - 1696.6 nm), and requires a single photodetector to acquire the spectrum. The spectrometer is designed to exhibit simulated low optical losses throughout the range of motion. The spectrum can be acquired at a frequency of 1.76 kHz. The simulated acquired spectrum features an average insertion loss of -1.8 dB and a crosstalk better than -70 dB with a resolution as low as 1.62 nm. The entire device covers an area of 4 mm x 4 mm and is based on a thick silicon-oninsulator platform. A fabrication process to implement the device is proposed with minimal steps and prototypes of the static optical system were fabricated but not characterized experimentally.

The second proposed design is a novel integrated optical spectrometer is able to operate over four different optical bands in the infrared that cover over 900 nm of aggregated bandwidth. The device, named integrated optical four bands spectrometer (IOFBS), consists of a single planar concave grating with 4 inputs waveguides, each corresponding to a different wavelength band, and 39 output channels that can be implemented on a silicon nitride platform. The Inputs Waveguides (IWGs) are optimized so that the echelle grating works in different diffraction orders to create constructive interference at the fixed output waveguides. The grating facets are engineered to maximize the diffraction efficiency of the beam launched from any of the four IWGs. The IOFBS works in the near infrared, the O-band, part of the S&E bands and the L-band. The simulated spectra feature an average insertion loss of -1.69 dB across the four bands and a crosstalk better than -32 dB with a 3-dB resolution as low as 0.37 nm and a channel spacing of ~2.1 nm. The entire device covers an area of 5 mm x 4 mm.

This work led to significant knowledge on developing new designs that take advantage of miniaturization techniques to realize complex microsystems for spectroscopic applications. These proposed approaches could be a promising route toward developing highly integrated optical-MEMS systems for numerous potential applications.

Titre traduit

Spectromètre intégré couvrant large bande optique

Résumé traduit

La spectroscopie infrarouge proche (PIR) est une technologie puissante pour la détection de molécules. Elle permet d’identifier rapidement les composés. L’un des principaux problèmes de la détection PIR est que la plupart des équipements sont encombrants et se trouvent souvent en laboratoire. Jusqu'à présent, les systèmes miniaturisés sont confrontés à plusieurs limitations technologiques : faible consommation d'énergie, filtre optique adapté à une utilisation sur le terrain, fonctionnement du détecteur non refroidi à température élevée et utilisation d'un emballage approprié conférant une protection physique et chimique. En raison des limitations, les échantillons doivent être ramenés du terrain pour analyse. Il est souvent difficile d’examiner des échantillons présentant une détérioration rapide. Pour répondre aux limitations actuelles, des spectromètres miniaturisés utilisable sur le terrain sont proposés dans cette thèse. Cette thèse couvre la fabrication et la caractérisation de filtres, miroirs et détecteurs. Plus précisément, comme le filtre optique est le coeur d’un spectromètre, il bénéficie d’une plus grande attention dans ce travail. En particulier, les filtres interférométriques sont discutés. Les filtres interférométriques sont sans doute considérés comme supérieurs aux autres types de filtres.

L’omniprésence des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) et de la photonique intégrée est sur le point d’avoir des impacts significatifs dans de nombreux domaines, notamment celui de la spectroscopie. Dans ce travail, nous nous efforçons de combiner l'optique intégrée avec les MEMS sur la même plate-forme pour créer de nouveaux systèmes sur puce (SoC). Les dispositifs SoC ciblés sont deux types différents de spectromètres qui peuvent couvrir une large bande de longueur d'onde et fournir une solution pour réduire les coûts en réduisant le nombre de photodétecteurs requis.

Ce doctorat exploite les avantages obtenus en mariant ces deux technologies pour miniaturiser des spectromètres tout en tentant d'atteindre des performances de pointe. Certains avantages potentiels comprennent : des réductions de coûts améliorant l’accès aux spectromètres portables et une fabrication en grand volume grâce au traitement par lots. L'objectif de cette recherche est de concevoir avec des simulations et de mettre en oeuvre deux types différents de spectromètres. Le premier est un spectromètre optique basé sur un MEMS rotatif dans une configuration de monochromateur. Ce nouveau spectromètre à système micro-opto-mécanique intégré se compose d'un réseau concave fabriqué dans un guide d'onde plan qui est connecté à un actionneur électrostatique rotatif qui permet un réglage angulaire du réseau. Le spectromètre couvre une large plage de longueurs d'onde (> 100 nm), couvrant partiellement la bande E et entièrement les bandes S, C et L (1 416,6 nm - 1 696,6 nm), et nécessite un seul photodétecteur pour acquérir le spectre. Le spectromètre est conçu pour avoir de faibles pertes optiques sur toute la plage de mouvement. Le spectre peut être acquis à une fréquence de 1,76 kHz. Le spectre acquis simulé présente une perte d'insertion moyenne de -1,8 dB et une diaphonie supérieure à -70 dB avec une résolution aussi basse que 1,62 nm. L'ensemble du dispositif couvre une superficie de 4 mm x 4 mm et repose sur une épaisse plate-forme de silicium sur isolant. Le processus de fabrication du dispositif est développé avec un minimum d'étapes et un prototype du spectromètre comprenant la partie optique exclusivement est fabriqué.

Le deuxième nouveau spectromètre optique intégré est capable de fonctionner sur quatre bandes optiques différentes dans l'infrarouge qui couvrent plus de 900 nm de bande passante agrégée. Le dispositif, appelé spectromètre optique intégré à quatre bandes (IOFBS), se compose d'un seul réseau concave plan avec 4 guides d'ondes d'entrée, chacun correspondant à une bande de longueur d'onde différente, et 39 canaux de sortie pouvant être implémentés sur une plate-forme en nitrure de silicium. Les guides d'ondes d'entrée (IWG) sont optimisés de sorte que le réseau d'échelle fonctionne dans différents ordres de diffraction pour créer une interférence constructive au niveau des guides d'ondes de sortie fixes. Les facettes du réseau sont conçues pour maximiser l'efficacité de diffraction du faisceau lancé depuis l'un des quatre IWG. L'IOFBS fonctionne dans l’infrarouge proche, la bande O, une partie des bandes S&E et la bande L. Les spectres simulés présentent une perte d'insertion moyenne de -1,69 dB sur les quatre bandes et une diaphonie inférieure à -32 dB avec une résolution de 3 dB aussi basse que 0,37 nm et un espacement des canaux d'environ 2,1 nm. L'ensemble de l'appareil couvre une superficie de 5 mm×4 mm.

Ce travail a mené à des connaissances significatives sur les techniques de miniaturisation et la conception de composants pour réaliser des microsystèmes complexes pour des applications spectroscopiques et démontre des systèmes MEMS optiques hautement intégrés avec de nombreuses applications potentielles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 117-128).
Mots-clés libres:	filtre optique, système micro-opto-mécanique intégré (MOEMS), large bande optique, spectromètre optique intégré, Monochromateur, grisme concave, silicium sur isolant (SOI), Nitrure de silicium (SiN)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ménard, Michaël
Codirecteur:	Codirecteur Nabki, Frédéric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 déc. 2024 20:32
Dernière modification:	16 déc. 2024 20:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3509

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