Réalisation d'un capteur intégré optique et microfluidique pour la mesure de concentration par effet photothermique

Ce travail s'inscrit dans le contexte du retraitement du combustible irradié dans l'industrie nucléaire. La gestion du combustible usé fait partie des enjeux majeurs de l'industrie nucléaire aujourd'hui. Ses vastes implications sont de nature économique, politique et écologique. Puisque le combustible irradié contient 97 % des matières valorisables, de nombreux pays ont choisi de retraiter le combustible, non tant pour des raisons économiques que pour le besoin de réduire la quantité en déchets radiotoxiques. Le procédé de séparation le plus répandu est connu sous le nom PUREX et consiste à diluer le combustible dans une solution d'acide nitrique afn d'en extraire les matières valorisables, comme notamment l'uranium et le plutonium. Le procédé est soumis à des strictes contrôles qui s'effectuent au présent par prélèvement et analyse manuel des ux radiotoxiques. Il n'existe cependant peu d'outils pour la supervision du procédé en ligne. Ces travaux visent alors à développer un capteur adapté à cet environnement de mesure à la fois acide et ionisant. Les verres borosilicates étant répandus pour leur inertie chimique, nous proposons l'étude d'un capteur optique fondé sur le substrat de verre Boro oat 33 de Schott. Le capteur étudié et réalisé a été fabriqué grâce à deux technologies différentes : l'optique intégrée sur verre par échange d'ions pour la fabrication de fonction de guidage optique, et la micro uidique pour la gestion des flux acides au sein du capteur. L'approche optique permet de répondre aux besoins de polyvalence, de sensibilité et d'immunité au rayonnement électromagnétique. La micro uidique permet, quant à elle, de travailler sur des très faibles volumes d'échantillon, réduisant ainsi la radiotoxicité des flux d'analyse. Le principe de mesure du capteur repose sur l'effet photothermique, induit dans le fluide par absorption optique d'un faisceau laser d'excitation. L'absorption entraîne un changement de l'indice de réfraction du fluide qui est sondé par un interféromètre de Young, intégré sur la puce. Le volume sondé au sein du canal était de (33,5 +- 3,5) pl. Le changement d'indice de réfraction à la limite de détection était de n_min = 1,2 . 10 6 , nous permettant de détecter une concentration minimale de cobalt(II) dans de l'éthanol de c_min = 6 . 10 4 mol/l, équivalent à un coefficient d'absorption de alpha_min = 1,2 . 10 2 cm 1. À la limite de détection du capteur, une quantité de N_min = (20 +- 2) fmol de cobalt(II) peut être détectée. La longueur d'interaction était de li = 14,9 m et par conséquent l'absorbance minimale détectable égal K_min = (1,56+-0,12).10 5.This work has been done in the context of fuel reprocessing in the nuclear industry. In fact, the handling of nuclear waste is one of the major issues in the nuclear industry. Its implications reach from economical to political to ecological dimensions. Since used nuclear fuel consists of 97 % of recyclable substances, many countries have chosen to reprocess used fuel, not only for economical reasons but also to limit the quantity of nuclear waste. The most widely employed extraction technique is the PUREX process, where the used fuel is diluted in nitric acid. The recyclable compounds can then be extracted by solvent techniques. Such processes need to be monitored crucially. However, nowadays, the process supervision is carried out by manually sampling the radioactive uents and analyzing them in external laboratories. Not only prone to potential risks, this approach is little responsive and produces radiotoxic samples that cannot be reintroduced in the nuclear fuel cycle. In this study, we therefore present the development of a micro uidic glass sensor, based on the detection of a photothermal e ect induced in the sample uid. Micro uidics allows uid handling on a microliter-scale and can therefore significantly reduce the sample volume and thereby the radiotoxcicity of the analyzed uids. Photothermal spectrometry is well suited for small-scale sample analysis, since its sensitivity does not rely on the length of optical interaction with the analyte. The photothermal e ect is a local refractive index variation due to the absorption of photons by the analyte species which are contained in the sample. On the sensor chip, the index refraction change is being sensed by an integrated Young interferometer, made by ion-exchange in glass. The probed volume in the channel was (33.5 +- 3.5) pl. The interferometric system can sense refractive index changes as low as n_min = 1.2 . 10 6 , allowing to detect a minimum concentration of cobalt(II) in ethanol c_min = 6 . 10 4 mol/l, which is equivalent to an absorption coefficient of alpha_min = 1.2 . 10 2 cm 1 . At the detection limit, we could sense an absolute quantity of cobalt(II) of N_min = (20 +- 2) fmol. The interaction length between the excitation light and the sensing zone was li = 14.9 m leading to a minimum detectable absorbance of K_min = (1.56 +- 0.12) . 10 5 .SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Hybridation d'un module de pompe sur un substrat de verre pour application à un LiDAR embarqué

Le niveau de sécurité requis dans l'aviation civile a conduit à l'utilisation de plusieurs chaînes séparées de mesures pour une même information. Il est désormais recommandé de les compléter par une chaîne de mesure dissemblable. Ainsi, THALES Avionics développe depuis 2006 un anémomètre laser dont l'injecteur est réalisé en optique intégrée sur verre pour la mesure de la vitesse de l'avion. Ce travail de thèse vise à poursuivre la miniaturisation en hybridant sur une puce de verre la diode laser de pompe qui alimente l'injecteur optique. L'architecture proposée repose sur le verrouillage d'une diode laser à ruban large sur son mode fondamental grâce à une cavité externe planaire. Celle ci est constituée d'un convertisseur modal réalisé par échange d'ions sur verre intégrant un réseau de Bragg à sa sortie monomode. Le travail réalisé dans cette thèse comporte trois étapes principales. Dans un premier temps, un modèle analytique a permis de dimensionner la rétroaction optique à imposer sur la diode. L'échange d'ions sélectivement assisté par champ électrique a permis dans un second temps de réaliser un convertisseur modal adapté à la liaison entre la diode ruban et la fibre optique monomode de récupération. Finalement, le verrouillage modal a été démontré grâce à l'utilisation d'une fibre optique à réseau de Bragg. L'émission spectrale de la diode laser a été stabilisée autour de la longueur d'onde de Bragg sur une largeur spectrale de 0,3 nm tandis que la puissance en sortie de la fibre monomode a atteint 100 mW. Le réseau de Bragg a alors été intégré sur la puce optique et l'émission de la diode laser ruban a également été stabilisée par la rétroaction intégrée. La forte réflexion du réseau a limité la puissance en sortie du dispositif et une émission sur deux modes transverses a été constatée. Les perspectives de cette étude portent, d'une part, sur l'augmentation de la puissance en sortie du dispositif et, d'autre part, sur la réalisation d'un système de pompage monolithique d'un milieu actif placé au sein de la cavité externe.Objectives of security in civil aviation are reached in multiplying separated measuring chains. The use of dissimilar measuring chains is now encouraged. For this purpose, THALES Avionics has developed an aircraft speed laser anemometer. The suitability of integrated optics on glass for the miniaturisation of the system has been proven in 2006. This thesis aims at pushing ahead with the miniaturisation in hybridising the pump laser diode which supplies the seed laser on a glass platform. The structure consists on locking the fundamental of a Broad Area Laser Diode (BALD) thanks a planar external cavity, composed of a modal converter made by ion exchange on glass and a Bragg grating. First, easy to use conception rules for the BALD's optical feedback are elaborated. Then, the technique of selective field assisted ion exchange is shown to be adapted to the realisation of a modal converter between the BALD and a single mode collecting optical fibre. The realised converter demonstrated the modal locking thanks to the use a fibre Bragg grating. The BALD has been stabilized around the Bragg wavelength with a spectral width of 0.3 nm and stable single mode output power has reached 100 mW. The Bragg grating has then been integrated on the optical chip and the integrated locking of the BALD has been achieved. The output power has been limited by the high reflectivity of the grating. As perspectives, the increase of the output power has been studied and a highly integrated system of intra cavity pumping is proposed.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

M-lines characterization of selenide and telluride waveguides for mid-infrared interferometry

Nulling interferometry is an astronomical technique that combines equal wavefronts to achieve a deep rejection ratio of an on-axis star, and that could permit to detect Earth-like planets in the mid-infrared band 5 -- 20 microns. Similarly to what is done in the near-infrared, high frequencies spatial filtering of the incoming beams can be achieved using single-mode waveguides operating in the mid-infrared. An appreciable reduction of the instrumental complexity is also possible using integrated optics (IO) devices in this spectral range. The relative lack of single-mode guided optics in the mid-infrared has motivated the present technological study to demonstrate the feasibility of dielectric waveguides functioning at longer wavelengths. We propose to use selenide and telluride components to pursue the development of more complex IO functions.Comment: accepted in OSA Optics Express, 11 pages, 4 figure

Transmission behaviors of single mode hollow metallic waveguides dedicated to mid-infrared nulling interferometry

This paper reports the characterization of hollow metallic waveguides (HMW) to be used as single-mode wavefront filters for nulling interferometry in the 6-20 microns range. The measurements presented here were performed using both single-mode and multimode conductive waveguides at 10.6 microns. We found propagation losses of about 16dB/mm, which are mainly due to the theoretical skin effect absorption in addition to the roughness of the waveguide metallic walls. The input and output coupling efficiency of our samples has been improved by adding tapers to minimize the impedance mismatch. A proper distinction between propagation losses and coupling losses is presented. Despite their elevate propagation losses, HMW show excellent spatial filtering capabilities in a spectral range where photonics technologies are only emerging.Comment: This paper was published in Optics Express and can be found at http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-15-26-1800

Hybrid magneto-optical mode converter made with a magnetic nanoparticles-doped SiO2/ZrO2 layer coated on an ion-exchanged glass waveguide

International audienceThis paper describes the possibility to achieve a TE-TM mode conversion in a magneto-optical hybrid waveguide operating at k¼1550 nm. This hybrid device is made by coating a SiO2/ZrO2 layer doped with magnetic nanoparticles on an ion-exchanged glass waveguide. Soft annealing (90 C) and UV treatment, both compatible with the ion exchange process, have been implemented to finalize the magneto-optical film. Optical characterizations that have been carried out demonstrated the efficiency of these hybrid structures in terms of lateral confinement and mode conversion. Indeed, TE to TM mode conversion has been observed when a longitudinal magnetic field is applied to the device. The amount of this conversion is discussed taking into account the distribution of light between the layer and the guide, and the modal birefringence of the structure

Heterogeneous integration of KY(WO4)2-on-glass : a bonding study

Rare-earth ion doped potassium yttrium double tungstate, RE: KY(WO4)(2), is a promising candidate for small, power-efficient, on-chip lasers and amplifiers. There are two major bottlenecks that complicate the realization of such devices. Firstly, the anisotropic thermal expansion coefficient of KY(WO4)(2) makes it challenging to integrate the crystal on glass substrates. Secondly, the crystal layer has to be, for example, < 1 mu m to obtain single mode, high refractive index contrast waveguides operating at 1550 nm. In this work, different adhesives and bonding techniques in combination with several types of glass substrates are investigated. An optimal bonding process will enable further processing towards the manufacturing of integrated active optical KY(WO4)(2) devices. (C) 2019 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreemen

Capteurs optofluidiques pour environnement hostile

National audienceLes verres de silice sont des matériaux chimiquement stables, peu chers et bio-compatibles. C’est pourquoi L’IMEP-LAHC, qui possède une longue expérience dans la réalisation de puces photoniques intégrées sur verre [1], a décidé de co-intégrer cette technologie avec des technologies microfluidiques afin de réaliser des dispositifs optofluidiques. Ces composants qui combinent des fonctions fluidiques et optiques permettent d’effectuer des opérations sur de faibles volumes de liquide (du μl au pl) afin d’en mesurer les caractéristiques. Grâce à l’utilisation de guides d’onde compatibles avec les fibres optiques et d’une connectique microfluidique standard, ces dispositifs optofluidiques sont compatibles avec une utilisation déportée fournissant des mesures en temps réel.Une des spécificités des technologies que nous avons mises au point est que l’ensemble du dispositif est en verre, sans matière plastique ni colle. Il peut donc être stérilisé en autoclave et ne craint pas les milieux acides, basiques ou ionisant.La co-intégration de guides d’onde et de canaux permet de contrôler très finement l’interaction entre la lumière guidée et le fluide. Ainsi, nous avons pu réaliser un absorptiomètre intégré sur une puce de 6,8 cm2 traitant un volume de l’ordre de 20 μl qui a été qualifié par le CEA-DEN (Marcoule) en environnement nucléaire. Ce dispositif a permis de mesurer sur une durée de plus d’un mois la concentration de plutonium (VI) radioactif dissous dans de l’acide nitrique concentré (1 mol) [2].Nous sommes donc convaincus que de tels capteurs, de par leur robustesse et leur compacité, peuvent trouver leur place dans des réseaux de surveillance des eaux et de leur contamination.Références :[1] Broquin, J. E. (2007, March). Glass integrated optics: state of the art and position toward other technologies. InIntegrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XI(Vol. 6475, p. 647507). International Society for Optics and Photonics.[2] Allenet, T., Geoffray, F., Bucci, D., Canto, F., Moisy, P., & Broquin, J. E. (2019). Microsensing of plutonium with a glass optofluidic device. Optical Engineering, 58(6), 06050

Optical amplifier made by reporting an Er 3+ /Yb 3+ -codoped glass layer on an ion-exchanged passive glass substrate by wafer bonding

International audienc

Développement d une technologie d optique intégrée dans la bande spectrale comprise entre 2 et 4 micromètres

L'amélioration des performances des télescopes interférométriques nécessite l'utilisation de technologies issues des télécommunications optiques telles que les fibres optiques et l'optique intégrée. Néanmoins, la couverture spectrale de ces technologies se situe entre les longueurs d'onde comprises entre À = 1IJm et 2 IJm, alors que les besoins d'observations se situent dans l'ensemble du spectre infrarouge. Dans ces travaux de thèse, nous présentons le développement d'une technologie d'optique intégrée pour les longueurs d'onde comprises entre À = 2 IJm et 4 IJm. Cette technologie repose sur l'utilisation de l'échange d'ions Ag+ /Na+ dans un verre germanate. Nous présentons l'étude expérimentale de la diffusion des ions argent, qui permet ensuite la réalisation de guides d'ondes monomodes à À = 1,55 IJm afin de valider notre procédé technologique. Enfin, des guides d'ondes fonctionnant à À = 3,39 IJm ont été réalisés puis caractérisés en utilisant leurs propriétés de filtrage modal.The improvement of the performances of interferometrical telescopes needs to use optical telecommunications technologies such as optical fibres and guided optics. However, theses technologies are covering the infrared wavelengths range between 1 and 2 IJm, although astronomers' needs are in the ail infrared wavelength range. These Ph.D work is dealing with the development of an integrated optics technology for the 2 - 4 IJm wavelength range. We have choosen to use a substrate of germanate glass and a silver/sodium ion-exchange technology. First, we have studied the silver diffusion into this glass matrix in order to perform single-mode waveguides at the 1.55 IJm wavelength. After this step, which qualifies our process, we have been able to design and realize single-mode waveguides at the 3.39 IJm wavelength. Finally, the last step have consisted of the characterisation in these waveguides using theirs modal filtering properties.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Etude et réalisation de structures hybrides actives/passives en optique intégrée sur verre

Les avancées majeures des télécommunications optiques ont nécessité l'élaboration de circuits intégrés optiques (ClOs) pour émettre, recevoir, traiter et distribuer l'information. Historiquement, de nombreuses technologies de ClOs ont été développées en parallèle. Cependant, dans le but de réduire les dimensions et les coûts des futurs ClOs, il est nécessaire de pouvoir intégrer plusieurs fonctions élémentaires sur un même substrat Pour cela, nous avons étudié la possibilité de réaliser des structures hybrides sur verre composées d'une couche mince guidante de matériau actif ou passif reporté sur un guide d'ondes de surface réalisé par échange d'ions. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la réalisation d'un amplificateur. optique hybride grâce à la mise au point d'une technique de collage par adhésion moléculaire d'un verre silicate contenant des guides d'ondes .et d'un verre phosphate codopé Er3+/Yb3+. Pour cela, nous avons développé un procédé d'échange d'ions T1+/K+ laissant la surface du verre intacte, un procédé de collage à basse température ainsi qu'une technique d'amincissement permettant de réduire l'épaisseur du verre actif à moins de 10 m. Un amplificateur hybride a été réalisé et un coefficient de gain de 3,66 dB/cm a été obtenu, ce qui est comparable aux meilleures performances publiées pour des amplificateurs classiques réalisés par échange d'ions. Un gain net positif a même été démontré dans un autre amplificateur hybride réalisé par un échange d'ions Ag+/Na+ et aminci par rodage/polissage. La réalisation d'autres fonctions en configuration hybride (encapsulation d'un réseau de Bragg, isolateur optique) a ensuite été étudiée.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocGRENOBLE INP-Phelma (381852301) / SudocSudocFranceF