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III-V Lab (mirSense) - Solution laser moyen infrarouge (MIR) compacte pour l’analyse chimique haute performance
- Détails
- Publié le mercredi 3 septembre 2014 14:18
Description
Les composants développés au sein du III-V lab sont des composants moyen-infrarouge innovants destinés à révolutionner le domaine de l’analyse chimique de gaz, de liquides ou de solides. Ils reposent sur un savoir-faire unique pour la réalisation de sources lasers moyen infrarouge hautes performances en semi-conducteurs III-V, combiné à une expertise en circuit intégré photonique à base de Silicium développé ces dernières années en collaboration avec le CEA-LETI. La maîtrise de ces deux technologies permet la réalisation des tous les éléments (sources et détecteurs) composant une chaine de détection de composés à l’état de traces.
L’offre mirSense est double. Il s’agit de sous-système opto-électroniques :
- Une source largement accordable moyen infrarouge (MIR), permettant, dans une utilisation dans un capteur optique, de réaliser une spectroscopie de traces chimiques.
- Un spectromètre MIR complet pour traces chimiques sous forme gazeuse.
Dans les deux produits, on trouve une source laser accordable monolithique, permettant de balayer continûment le spectre infrarouge sur 100cm-1 dans la bande spectrale 3-10μm. Elle est basée sur une barrette de lasers à cascade quantique opérant à température ambiante, ayant chacun une longueur d’onde décalée du laser précédent de quelques cm-1. La longueur d’onde d’émission de cette source est ajustable, soit grossièrement (quelques cm-1) en passant d’un laser au suivant, soit finement, en ajustant le courant de pilotage du laser (<cm-1). La lumière issue de chaque laser de la barrette est injectée dans un circuit photonique à base de silicium qui recombine ces faisceaux en une sortie unique afin de préserver des propriétés de faisceau optimales.
Packagée seule, une telle source packagée et collimatée à la demande, est directement intégrable dans un instrument de spectroscopie.
Pour le second produit, il faut lui adjoindre une partie détection qui est actuellement en cours de finalisation via l’intégration sur le circuit photonique de détecteurs photo acoustiques à base de microphones MEMS. Notre approche modulaire permettra à terme de combiner plusieurs bandes spectrales et une détection intégrée efficace afin de proposer des modules de détections pour le contrôle des émissions, des procédés, la détection de substances dangereuses ou encore l’analyse de l’haleine ou du sang pour l’industrie médical.
Chaque produit est livré avec une électronique de pilotage et des drivers informatiques.
Nous ne présentons ici que le produit source largement accordable, seul à l’état de prototype aujourd’hui. Afin de présenter les performances du produit, nous joignons ci-dessous une liste de spécifications.
Performances
- Emissions centrales typiques : Entre 4 et 10 μm (2500cm-1 et 1000 cm-1)
- Largeur spectrale atteignable : <0,01 cm-1
- Accord en longueur d’onde : 100 cm-1
- Puissance optique : >5 mW
- Suppression des modes secondaires (SMRS) : >25 dB
Conditions d’intégration
- Boitier : 5cm x 3cm x 2cm
- Carte électronique : 10cm x 10cm
- Dissipation thermique maximale du composant (= consommation) : 50W
- Température de stockage : -40/+50 °C
- Température d’utilisation min. : -30 °C
- Température d’utilisation max. : 50 °C
Innovation apportée
Notre produit constitue une technologie de rupture par rapport au domaine des sources MIR. En cela elle apporte un certain nombre d’avantages pour les clients.
D’abord, la source mirSense ne nécessite aucune compétence en laser pour être utilisée. mirSense fournit l’interface de contrôle de la source, et le client interagit avec le laser à travers la longueur d’onde ciblée. Le client reçois un signal optique à la longueur d’onde demandée, avec des caractéristiques telles qu’explicitée dans le chapitre précédent.
Du fait de l’intégration de fonctions optiques dans le composant, l’utilisation de la source mirSense entraine une grande simplification de la chaine optique dans le capteur. En conséquence, les couts de développement en ingénierie sont fortement réduits pour le client, ainsi que les couts de production associé à l’approvisionnement en éléments optiques.
La source mirSense remplace un grand nombre de composants optiques pour réaliser la même fonction et de ce fait offre une solution compact unique. Elle ouvre la voie à la réalisation de capteurs de traces portables. Le produit, électronique de pilotage inclus a été pensé pour satisfaire ce besoin de compacité. Ce besoin de détecteur portable est associé à une réduction des couts de fabrications pour le client.
Cela est bien sur le cas pour la liste de matériel approvisionné mais aussi pour les couts de fabrications. Le choix d’une technologie 100% microélectronique répond parfaitement à ce besoin. En effet, les couts non récurrents ont été supportés par divers actions de R&D par le passé, pour arriver à des procédés de fabrication permettant de suivre les augmentations de volume avec des baisses substantielles de prix.
Ainsi mirSense peut être un partenaire aussi bien pour les volumes modérés de 100 unités/an que pour les forts volumes de plusieurs dizaines de miliers/an, devenant ainsi un partenaire pour les équipements en développement qui ont vocation à diversifier leur marchés et décupler les ventes.
Enfin, de par la nouveauté d’une source accordable dans le moyen infrarouge, mirSense ouvre la voie à de nouvelles applications que les clients n’envisageaient pas jusque-là par manqué de composant de base. Ces application sont soit basée sur des molécules spécifiques, ou des conditions opérationnelles particulières.
III-V Lab est un groupement d’intérêt économique (GIE) dont les actionnaires sont Alcatel-Lucent, Thales et le CEA. C’est un laboratoire de R&D d’environ 125 personnes, dédié aux technologies des semi-conducteurs III-V (GaAs, InP, GaN, etc.). Il a été créé il y a 10 ans par Alcatel-Lucent et Thales, qui ont décidé de partager leurs compétences scientifiques et techniques et leurs moyens technologiques pour le développement de composants microélectroniques et optoélectroniques innovants et qui soient capables d’induire des ruptures critiques dans les performances des futurs systèmes de télécommunication, de défense, de sécurité, aérospatiaux, dans lesquels ils seront intégrés. Le laboratoire est doté des moyens les plus modernes en croissance des matériaux (une dizaine de réacteurs d’épitaxie), en salle-blanche microélectronique (lithographie électronique et stepper), en moyen de modélisation multi-physique et de conception de composants et circuits, et enfin en moyens d’assemblage lui permettant d’intégrer des modules démonstrateurs des composants réalisés.
Le GIE a été rejoint il y a trois ans par le laboratoire Leti du CEA, avec l’objectif de développer des solutions radicalement nouvelles pour des composants plus intégrés et plus compacts, en associant des composants actifs III-V (par ex. des diodes laser), avec des circuits passifs Si (par ex. des circuits intégrés photoniques de combinaison ou de traitement de faisceaux). III-V Lab est ainsi un des rares laboratoires industriels au monde, maîtrisant à la fois les technologies microélectroniques et photoniques III-V et Si et les techniques d’intégration hétérogènes (hétéro-épitaxie, collage moléculaire,…) permettant de marier ces technologies.
Les objectifs de III-V Lab sont d’amener les technologies développées à un niveau de maturité suffisant pour permettre une industrialisation, via un transfert chez un partenaire. C’est ainsi que III-V Lab a transféré récemment ses technologies d’imagerie infrarouge thermique ‘QWIP’ et d’imagerie proche infrarouge InGaAs. Le projet mirSense s’inscrit exactement dans cette démarche, cette fois via la création d’une start-up, qui valorisera les technologies de laser à cascade quantique QCL pour les applications de détection et d’analyse spectrométrique des gaz et liquides.