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Projets scientifiques émergeants de l’Université de Rennes 1

NORCAP : NOuveau Résonateur optique hybride pour CAPteur à haute sensibilité

juin 2014 – décembre 2014

NORCAP : NOuveau Résonateur optique hybride pour CAPteur à haute sensibilité

Le projet NorCap s’inscrit dans un programme du laboratoire, visant à réaliser, en optique intégrée, des structures optiques résonantes de haute sensibilité adaptée pour construire des capteurs moléculaires miniaturisés.
De part leur mode de fonctionnement, les MRs sont en effet des structures très sensibles, facilement intégrables et peu onéreuses. Les matériaux utilisés seront les polymères et la silice poreuse comme lieu d’interaction entre les espèces à détecter et le signal optique propagé. La sensibilité déjà accrue par la structure MR sera davantage exaltée par l’emploi de ce matériau poreux.
Outre les modélisations des structures intégrées, le projet comprend surtout les premières études de mise en œuvre technologique pour rechercher le design optimal minimisant les différentes sources de pertes optiques, permettant la mise en œuvre du composant et optimisant les caractéristiques du capteur. Les efforts porteront en particulier sur l’étude et l’optimisation de l’élaboration de guides en silice poreuse (pour capter les molécules à détecter) compatibles avec le fonctionnement de la cavité résonante ainsi que sur la réalisation technologique du résonateur hybride (polymère-silice poreuse).

Contexte

Les besoins en capteurs de détection et d’analyse de substance pour de nombreux domaines d’applications (notamment Santé, IAA, Environnement, Défense-sécurité, Chimie, ..) sont de plus en plus prégnants. Les applications visées à terme, sont la détection de gaz (ex : ammoniac), l’analyse de la concentration de protéines et de brins d’ADN. Les enjeux sont importants car il s’agit de dépasser les limites de détection et les sensibilités actuelles (par exemple, pour l’analyse de traces de protéines impliquées dans des maladies type Alzheimer).

Objectifs

Notre technologie vise à combiner deux types de matériau pour la conception et la réalisation de MRs hybrides :

  • Les polymères dont nous maitrisons déjà la technologie pour la conception de MR, avec des performances au meilleur de l’état de l’art qui ont été atteints par très peu de laboratoires, pour des filtres accordables dans le PIR.
  • La silice poreuse pour laquelle nous maitrisons certaines structures de guides et qui présente l’atout, d’une grande surface spécifique sur laquelle peuvent être greffées les molécules à détecter.

Les polymères seront utilisée pour la réalisation de guides passifs pour acheminer le signal optique jusqu’au MR et le récupérer avant de le traiter.
La silice poreuse sera utilisée comme lieu d’interaction entre les espèces à détecter et le signal optique propagé. La sensibilité déjà accrue par la structure MR sera davantage exaltée par l’emploi de ce matériau poreux.

Outre les modélisations des structures intégrées, le projet comprend surtout les premières études de mise en œuvre technologique pour rechercher le design optimal minimisant les différentes sources de pertes optiques, permettant la mise en œuvre du composant et optimisant les caractéristiques du capteur. Les efforts porteront en particulier sur l’étude et l’optimisation de l’élaboration de guides en silice poreuse (pour capter les molécules à détecter) compatibles avec le fonctionnement de la cavité résonante ainsi que sur la réalisation technologique du résonateur hybride (polymère-silice poreuse).

Les nouvelles structures en optique intégrée qui seront élaborées seront décisives pour savoir si la sensibilité de ces fonctions à base de micro-résonateur peut être améliorée. La figure de mérite sera la sensibilité exprimée en nm/RIU et nous espérons, grâce aux atouts cités précédemment, obtenir des sensibiltés dépassant largement les 300 nm/RIU de l’état de l’art.

Sur le plan technologique, de nombreuses difficultés sont à lever en particulier sur l’adaptation des matériaux polymères/silice, les gaps inter-guide-anneau, les pertes linéiques, la maitrise des paramètres du résonateur (compromis entre facteur de qualité, taux de couplage dans le résonateur, maximisation de l’interaction molécule-onde optique).

Production scientifique

Voir dans la collection Foton sur HAL

Phases

Ce projet s’intercale dans le programme de la thèse de Pauline GIRAULT démarrée en novembre 2013 : « Micro-résonateurs intégrés pour capteurs biophotoniques »

Porteur du projet

Nathalie LORRAIN

Financements

Université de Rennes 1 (11 k€)