Titre : dispositif de détection photoacoustique

DOMAINE DE L’INVENTION

[01]La présente invention se rapporte à un dispositif de détection photoacoustique pour mesurer un paramètre d’intérêt dans un milieu à analyser. Plus précisément, le dispositif de détection photoacoustique comprend une puce photonique pour de la spectroscopie infrarouge multispectrale, la puce photonique formant une cellule photoacoustique.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[02]La détection photoacoustique peut être utilisée dans le domaine des dispositifs de détection, notamment pour détecter des paramètres d'intérêt tels que des composants chimiques dans un milieu. Le milieu peut être un tissu organique, tel que la peau d'un être humain.

[03] La détection photoacoustique est basée sur l'irradiation d'un milieu M à analyser par un faisceau lumineux émis par une source lumineuse. Le faisceau lumineux est un faisceau lumineux d'une longueur d'onde choisie. La longueur d'onde est choisie en fonction du type de paramètre d'intérêt à mesurer.

[04]Des sources lumineuses de différents types peuvent être utilisées, notamment en fonction de l’application souhaitée. Une première application peut être une application de photoacoustique indirecte, dans laquelle la détection photoacoustique est basée sur la détection d'une onde de pression provoquée par une onde thermique. L'onde thermique est générée sous l'effet de l'absorption du faisceau lumineux par le milieu. Cette absorption crée un échauffement local des composants chimiques du milieu, là où le faisceau lumineux a été absorbé. L'onde thermique se propage dans le milieu M avant de se propager à l'extérieur du milieu. Plus précisément, lorsque l'onde thermique sort du milieu, après sa diffusion, une variation de pression est générée, qui peut être détectée. Le passage d’une onde thermique à une onde acoustique se fait dans une cavité photoacoustique jouant un rôle de transducteur thermoacoustique, puis un capteur de type microphone capte l’onde acoustique en jouant un rôle de transducteur acoustoélectrique.

[05]La détection photoacoustique peut être rendue spécifique à des composants chimiques particuliers, en ajustant la longueur d'onde du faisceau lumineux. Plus précisément, la longueur d'onde peut être ajustée pour correspondre à un pic d'absorption du composant à analyser. La détection photoacoustique indirecte constitue alors un moyen non invasif d'analyser un milieu d'intérêt. De nombreux dispositifs de détection photoacoustique ont été développés. Notamment, de tels dispositifs ont été développés pour mesurer des taux de glucose dans l’épiderme pour une personne.

[06]La détection photoacoustique directe se fait sur un objet solide ou liquide dans une configuration de mesure indirecte. Dans ce cas il faut aller détecter l’onde acoustique produite par la dilatation mécanique de l’échantillon sous l’effet de son échauffement. C’est une modalité qui est notamment utilisée pour faire de l’imagerie de tissus biologiques. La détection photoacoustique directe est notamment utilisée pour la détection ou analyse de gaz.

[07] L’article Sensors (Basel). 2020 May; 20(9): 2745. Published online 2020 May 11. Photoacoustic-Based Gas Sensing: A Review, par Stefan Palzer traite de la détection photoacoustique directe et indirecte.

[08]Ces dispositifs de détection photoacoustique comprennent généralement une cellule photoacoustique, une source lumineuse émettant un faisceau lumineux, un élément de guidage guidant le faisceau lumineux vers la cellule photoacoustique et au moins un transducteur capable de détecter un signal généré dans la cellule photoacoustique par l'effet photothermique dans le milieu en réponse à l'irradiation du milieu par le faisceau lumineux.

[09]Une première exigence liée à ces dispositifs de détection est qu’ils peuvent être voués à être portés en continu, c’est-à-dire constamment, par une personne. Ils doivent donc être suffisamment compacts pour ne pas déranger la personne le portant. Dans d’autres cas, les dispositifs peuvent être embarqués dans d’autres dispositif et doivent donc également être suffisamment compact pour permettre leur intégration.

[10]Une seconde exigence de ces dispositifs de détection est que, pour obtenir des résultats précis et corrects, le milieu à analyser doit être éclairé de façon équivalente à toutes les longueurs d’onde.

[11]La présente invention vise à proposer un dispositif de détection photoacoustique multispectral répondant aux exigences présentées ci-dessus.

RÉSUMÉ DE L’INVENTION

[12]Ainsi, l’invention se rapporte à un dispositif de détection photoacoustique pour mesurer un paramètre d’intérêt dans un milieu à analyser, le dispositif comprenant :

° au moins un module d’illumination configuré pour émettre une pluralité de faisceaux lumineux, dans laquelle au moins deux faisceaux lumineux parmi la pluralité de faisceaux lumineux ont des longueurs d’onde différentes,

- une puce photonique comprenant :

° un substrat comprenant une face avec une gravure,

° une pluralité de guide d’onde s’étendant parallèlement à un plan formé par face gravée du substrat, chaque guide d’onde étant configuré pour guider au moins un faisceau lumineux émis par le module d’illumination,

° une pluralité de réseaux de diffraction, chaque réseau de diffraction étant respectivement formé dans un guide d’onde de la pluralité de guides d’onde et chaque réseau de diffraction étant configuré pour extraire hors du guide d’onde dans lequel il est formé, vers la gravure du substrat, le faisceau lumineux se propageant dans ledit guide d’onde associé, dans lequel ladite gravure du substrat est configurée pour extraire les faisceaux lumineux hors du substrat et vers le milieu à analyser,

- une cellule photoacoustique formée par la puce photonique, telle que la cellule photoacoustique comprend :

° une surface de contact ouverte formée par la face gravée du substrat, la surface de contact ouverte étant destinée à être en contact du milieu à analyser,

° une cavité photoacoustique formée par la gravure du substrat,

° lesdits faisceaux lumineux extraits du substrat étant configurés pour se propager dans la cavité photoacoustique puis passer à travers la surface de contact ouverte pour atteindre le milieu,

- un transducteur relié à la cavité, le transducteur étant configuré pour détecter un signal généré dans la cavité de la cellule photoacoustique par un effet photothermique dans le milieu en réponse à l’irradiation du milieu par les faisceaux lumineux extraits du substrat.

[13]Ainsi, le dispositif de détection photoacoustique est particulièrement compact puisqu’on combinant une puce photonique permettant le guidage et la collimation des faisceaux lumineux vers le milieu à analyser avec une cellule photoacoustique, le dispositif s’affranchit d’un composant prenant de la place. En effet, afin de pouvoir diriger des faisceaux lumineux vers la scène à éclairer, pour effectuer les analyses du milieu, un élément de guidage de la lumière est nécessaire. De même, une cellule photoacoustique est également nécessaire pour la conversion du signal photothermique en signal acoustique en vue d’analyser le milieu à partir du signal généré. Le dispositif propose donc de combiner ces deux éléments en un seul, ce qui réduit considérablement la taille finale du dispositif et facilite sa fabrication.

[14]De plus, la répartition des sources et des réseaux de diffraction autour de la gravure et dans un même plan permet un éclairage homogène et au même angle d’incidence du milieu pour toutes les sources.

[15]Selon différents aspects, il est possible de prévoir l’une et/ou l’autre des caractéristiques ci-dessous prises seules ou en combinaison. [16]Les réseaux de diffraction sont répartis autour de la gravure de sorte qu’un cercle de centre correspondant au centre de la gravure du substrat passe par les barycentres de tous les réseaux de diffraction.

[17]Cette disposition particulière est adaptée dans le cas où une unique source est associée à un réseau mais également au cas où plusieurs sources sont associées à un seul réseau. Dans le cas où plusieurs sources sont associées à un même réseau, les sources sont multiplexées en amont de l’entrée des faisceaux lumineux dans les guides d’onde.

[18] Avantageusement, les réseaux sont répartis de manière régulière autour de la gravure selon une symétrie radiaire.

[19] Selon une variante, la symétrie n’est pas radiaire et les réseaux peuvent être répartis autour de la gravure sur le cercle décrit ci-avant irrégulièrement. C’est particulièrement le cas lorsque la gravure du substrat est obtenue par une gravure isotrope du substrat. Cela peut être avantageux pour des raisons d’encombrements et d’intégration d’autres composants au dispositif.

[20]la gravure est configurée pour être obtenue par une gravure anisotrope du substrat, de sorte que ladite gravure forme, selon une vue de-dessus de la face gravée du substrat, une forme polygonale.

[21]Avantageusement, la forme polygonale est carrée, rectangulaire ou octogonale. La gravure peut être donc faite à partir de quatre empreintes (forme carrée) ou huit empreintes (forme octogonale). Plusieurs sortes de gravures anisotropes peuvent donc être utilisées.

[22]Le dispositif comprend autant de réseaux de diffraction que de côtés de la forme polygonale.

[23]Etant donné qu’au moins une source lumineuse est associée à un réseau de diffraction, cela permet donc d’utiliser au moins quatre sources pour la forme carrée, et au moins huit sources pour la forme octogonale. Par ailleurs, chaque réseau de diffraction est disposé de sorte à n’être associé qu’à une seule empreinte de manière à obtenir une disposition symétrique des sources et/ou des réseaux de diffraction autour de la gravure. Cela présente l’avantage d’obtenir facilement un éclairage homogène et au même angle d’incidence pour tous les faisceaux lumineux.

[24]La gravure est configurée pour être obtenue par une gravure isotrope du substrat, de sorte que ladite gravure forme, selon une vue de-dessus de la face gravée du substrat, une forme de cercle.

[25]Le nombre de sources est alors théoriquement infini, la seule limite étant l’espace disponible pour mettre les sources. [26]Le dispositif comprend en outre un guide d’onde d’entrée dans lequel tous les faisceaux lumineux sont destinés à être injectés, la puce photonique comprenant en outre au moins un démultiplexeur configuré pour démultiplexer les faisceaux lumineux en sortie du guide d’onde d’entrée de manière à injecter au moins un faisceau lumineux dans au moins deux guide d’onde de la pluralité de guides d’onde.

[27]Le dispositif comprend en outre une pluralité de guides d’onde d’entrée dans chacun desquels une partie des faisceaux lumineux est destinée à être injectés, la puce photonique comprenant en outre autant de démultiplexeurs que de guides d’onde d’entrée, chaque démultiplexeur étant associé à un guide d’onde d’entrée, les démultiplexeurs étant configurés pour démultiplexer les faisceaux lumineux en sortie du guide d’onde d’entrée de manière à injecter au moins un faisceau lumineux dans des guides d’onde de la pluralité de guides d’onde.

[28]la face gravée du substrat, c’est-à-dire la surface de contact ouverte de la cellule photoacoustique, est fermée par une fenêtre.

[29]La fenêtre permet de protéger la cavité photoacoustique de l’environnement extérieur, tout en permettant le passage des faisceaux lumineux vers le milieu, et le passage du signal généré vers la cavité photoacoustique.

[30]la gravure du substrat est une gravure débouchant sur les guides d’onde de sorte que la cavité photoacoustique est ouverte du côté de la face gravée du substrat et du côté des guides d’onde, le transducteur étant positionné contre l’entrée débouchant sur les guides d’onde, de manière à sceller cette dite entrée de la cavité photoacoustique.

[31]La cavité est fermée et donc protégée de ce côté-ci. L’autre ouverture de la cavité est fermée par le milieu ou la fenêtre. Le transducteur est donc facilement relié à la cavité photoacoustique pour mesurer le signal généré.

[32]Le substrat comprend des gravures entre la cavité et l’environnement extérieur, lesdites gravures formant un canal reliant la cavité photoacoustique à un transducteur.

[33]l I y a donc la possibilité de mettre plusieurs transducteurs pouvant mesurer différents types de signaux générés. Ce mode de réalisation peut également s’appliquer à un unique transducteur, par exemple si la gravure est fermée au niveau des guides d’onde. Les gravures peuvent être des gravures à angle droit, à 45° ou 54,74°, ou encore des gravures obtenues par une gravure isotrope ou anisotrope du substrat.

[34]Le transducteur est configuré pour être fabriqué sur la même galette de silicium que le substrat.

[35]Ça a donc un avantage élevé dans la mesure où tout est fait en même temps lors de la fabrication puisque la cavité et le coupleur optique sont également directement intégrés sur silicium sur la puce photonique. [36]Les sources sont configurées pour émettre des faisceaux lumineux dans le domaine du moyen infrarouge.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

[37]Des modes de réalisation de l’invention seront décrits ci-dessous par référence aux dessins, décrits brièvement ci-dessous :

[38][Fig. 1] est un schéma bloc d’un dispositif de détection acoustique selon une réalisation,

[39][Fig. 2] est une vue transversale d’un dispositif de détection photoacoustique selon une réalisation.

[40][Fig. 3] est une vue transversale d’un dispositif de détection photoacoustique selon une autre réalisation.

[41 ][Fig. 4] illustre l’extraction d’un faisceau lumineux selon une réalisation.

[42][Fig. 5] est une vue transversale d’un dispositif de détection photoacoustique selon une autre réalisation.

[43][Fig. 6] est une vue de dessus d’un exemple de placement des guides d’onde par rapport à la gravure du substrat.

[44][Fig. 7] est une vue de dessus d’un exemple de placement des guides d’onde par rapport à la gravure du substrat

[45][Fig. 8] est une vue de dessus d’un exemple de placement des guides d’onde par rapport à la gravure du substrat,

[46][Fig. 9] est une vue de côté d’un exemple de placement des guides d’onde par rapport à la gravure du substrat,

[47][Fig. 10] est une vue de côté d’un exemple de placement des guides d’onde par rapport à la gravure du substrat,

[48][Fig. 11] est un autre exemple de placement de guides d’onde utilisant un démultiplexeur.

[49]Sur les dessins, des références identiques désignent des objets identiques ou similaires.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

[50]Dans une application particulière de détection photoacoustique indirecte, le dispositif de détection photoacoustique 1 est particulièrement adapté pour mesurer un paramètre d’intérêt dans un milieu M à analyser. Le milieu peut être solide ou liquide.

[51]Dans un exemple non limitatif, le dispositif de détection photoacoustique 1 (ou « dispositif de détection 1 » ou « dispositif 1 » dans la description suivante) est destiné à être porté par une personne. Le milieu M peut être un tissu organique tel que la peau de la personne portant le dispositif de détection 1. [52]Un paramètre d'intérêt peut être un composant chimique présent dans la peau de la personne, tel que des molécules. Le paramètre d'intérêt peut comprendre le glucose, le cholestérol, le triglycéride, l'urée, l'albumine, et/ou l'alcool. Cette liste n'est pas exhaustive, et plusieurs autres paramètres d'intérêt peuvent être mesurés.

[53]Les paramètres mesurés peuvent ensuite être analysés pour déterminer la concentration sanguine de glucose, de cholestérol, etc.

[54] Le dispositif de détection 1 peut être porté par une personne à n’importe quel endroit permettant de mesurer un paramètre d’intérêt dans l’épiderme de la personne.

[55]Selon un exemple, le dispositif 1 est porté au bras ou au poignet d’une personne. Le dispositif de détection 1 peut être fixé à la personne au moyen d'un bracelet.

[56]Le dispositif de détection 1 peut permettre une surveillance continue de la personne P, en mesurant de manière répétée les paramètres d'intérêt de la personne, pendant qu'il est porté.

[57]Dans une autre application particulière dans laquelle le dispositif est utilisé pour de la détection photoacoustique directe, le dispositif de détection 1 est utilisé pour détecter un ou des gaz dans un milieu. Le dispositif peut alors être placé dans tout milieu permettant d’avoir accès au gaz visé. Le milieu M peut alors être de l’air, par exemple. Un tel dispositif peut trouver des applications dans le biomédical, pour l’analyse de l’air expiré d’une personne pour le suivi de certaines maladies (par exemple détection de NO pour l’asthme), ou encore environnemental pour le suivi des concentrations atmosphériques des gaz à effet de serre, dans la défense pour la détection d'explosif(s) (TNT) ou encore dans la sécurité pour la détection de départ de feu.

[58]La figure 1 est un schéma bloc du dispositif de détection 1 selon une réalisation.

[59]Le dispositif de détection 1 comprend :

[60]un module d’illumination comprenant au moins deux sources lumineuses 2, configurées pour émettre chacune au moins un faisceau lumineux, avantageusement au moins deux faisceaux lumineux sont émis à des longueurs d’onde différentes.

[61]un transducteur 3 acquérant un signal provenant du milieu M,

[62]un module de traitement du signal 4 pour analyser le signal détecté par le transducteur.

[63]Dans un mode de réalisation, le transducteur 3 peut être un transducteur acoustique détectant un signal acoustique généré en réponse à l'irradiation du milieu M par le faisceau lumineux.

[64]Le transducteur 3 peut être connecté au module de traitement du signal 4 de sorte que le module de traitement du signal 4 est adapté pour recevoir un signal provenant du transducteur 3. [65]Dans un mode de réalisation non limitatif, le module de traitement du signal 4 peut comprendre un convertisseur analogique-numérique, convertissant le signal acquis par le transducteur 3 en un signal numérique.

[66]Dans un autre mode de réalisation, le transducteur 3 peut transmettre directement un signal numérique au module de traitement du signal 4.

[67] Le module de traitement du signal 4 peut être implémenté par un processeur (non représenté) qui peut être distant ou non du dispositif de détection 1.

[68]Le dispositif de détection 1 peut comprendre d'autres composants. Par exemple, le dispositif de détection 1 peut également comprendre un module d'adaptation 5 des paramètres d'irradiation de la source lumineuse 2 et une mémoire 6, par exemple. Ces composants ne seront pas décrits plus en détail.

[69]Dans un mode de réalisation, les sources lumineuses 2 émettent un faisceau lumineux à une longueur d'onde choisie, en direction du milieu M à analyser. La longueur d'onde choisie peut être choisie en fonction des paramètres d'intérêt à mesurer.

[70]Plus précisément, la longueur d'onde peut correspondre au pic d'absorption du paramètre d'intérêt à mesurer. Par exemple, pour détecter le glucose, la longueur d'onde peut être de 1034 cm-1, ce qui correspond au pic d'absorption du glucose.

[71]Les sources lumineuses peuvent être des lasers, et plus particulièrement des lasers à cascade quantique (QCL), ou des lasers à cascade interbande (ICL), à cavité externe ou interne.

[72]Les sources lumineuses 2 émettent des faisceaux lumineux dans le moyen infrarouge, c’est-à-dire à des longueurs d’onde comprises entre 2 et 12pm.

[73] Chaque source lumineuse 2 émet au moins un faisceau lumineux dont la longueur d’onde est toujours la même. Dans une configuration, les longueurs d’onde des faisceaux lumineux émis par les sources peuvent être différentes pour au moins deux sources, de manière à faire de la détection photoacoustique multispectrale.

[74]Dans une autre variante, une source lumineuse 2 peut émettre plusieurs faisceaux lumineux si les faisceaux lumineux sont à des longueurs d’onde proches, typiquement si la différence de longueurs d’onde entre les faisceaux lumineux est égale ou inférieure à 0,3pm.

[75]Dans l’application particulière de détection photoacoustique indirecte, les faisceaux lumineux émis par les sources lumineuses 2 se propagent vers le milieu M et à travers celui-ci. Ce phénomène est représenté par les flèches en pointillés sur la figure 2. Le faisceau lumineux est absorbé par les constituants du milieu M sous une profondeur caractéristique z dépendant de la longueur d'onde choisie du faisceau lumineux, et de la composition du milieu M. [76]L'absorption de l'énergie du faisceau lumineux provoque un échauffement local du milieu M. Par conséquent, un signal thermique se propage dans le milieu M (phénomène illustré par les flèches pleines sur la figure 1), en particulier vers la surface du milieu M. De plus, l'onde thermique peut créer, à l'extérieur du milieu M et dans la cavité photoacoustique de la cellule photoacoustique, une onde de pression qui se propage à l'extérieur du milieu M et dans la cavité photoacoustique. Une telle onde de pression peut être détectée par le transducteur acoustique 3.

[77]Dans le cas où le dispositif est adapté à la détection de gaz, les faisceaux lumineux émis par les sources lumineuses 2 se propagent vers le gaz contenu dans une cavité photoacoustique et à l’intérieur de celui-ci. Le faisceau lumineux est absorbé par les constituants du gaz.

[78]L'absorption de l’énergie du faisceau lumineux provoque un échauffement du gaz. Par conséquent, une onde de pression est créée et se propage dans la cavité photoacoustique. Une telle onde de pression peut être détectée par le transducteur acoustique 3.

[79] Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe transversale d’un dispositif de détection 1 selon deux réalisations.

[80]De manière générale, le dispositif de détection 1 comprend un module d’illumination comprenant les sources lumineuses 2, au moins un transducteur s, une puce photonique 4 et une cellule photoacoustique 5 formée par la puce photonique 4.

[81]La puce photonique 4 est une puce photonique d’éclairage, destinée à combiner des faisceaux lumineux appartenant au domaine de l’infrarouge pour l’éclairage d’une scène.

[82]La puce photonique 4 comprend un substrat 40. Le substrat 40 est un substrat silicium cristallin.

[83]Le substrat 40 présente une face comprenant une gravure 400. Avantageusement, dans le cas de la détection indirecte, le milieu M se trouve au niveau de la face gravée du substrat 40. Comme visible sur les figures 2 ou 9, par exemple, la gravure 400 peut être obtenue par une gravure anisotrope du substrat 40. Avantageusement, la gravure a une forme de carré ou d’octogone selon une vue de haut de la gravure 400 du substrat 40.

[84]Le principe de gravure anisotrope formant un octogone vu de haut est décrit dans l’article scientifique de Rola, Krzysztof P., Konrad Ptasihski, Adrian Zakrzewski, et Irena Zubel. 2014. « Silicon 45° Micromirrors Fabricated by Etching in Alkaline Solutions with Organic Additives ». Microsystem Technologies 20(2): 221-26. [85]Sur les figures 3, et 6 à 8, notamment, la gravure 400 est obtenue par une gravure isotrope du substrat 40, de sorte que, vu de haut, la gravure 400 a une forme de cercle.

[86]La puce photonique comprend également au moins un guide d’onde 41 , et de préférence une pluralité de guides d’onde 41. Les guides d’onde 41 sont des guides d’onde linéaires ou planaires, aptes à guider un faisceau lumineux F se propageant dans lesdits guides d’onde 41 par réflexions successives du faisceau lumineux F sur des faces planes parallèles entre elles. Les guides d’onde 41 sont formés par un cœur 410 dans lequel circule le faisceau lumineux F et d’une gaine 411, assurant une différence d’indice optique souhaitée entre le cœur et le milieu entourant le cœur. S’agissant des guides d’onde illustrés, chaque guide comprend un cœur 410 intercalé entre deux gaines 411. Le faisceau lumineux F est guidé dans le cœur 410 par réflexions successives aux interfaces entre le cœur 410 et chacune des gaines 411 entre lesquelles le cœur 410 est intercalé.

[87]Avantageusement, les cœurs 410 des guides d’onde 41 sont en germanium et les gaines 411 sont en un alliage de silicium germanium, avec par exemple 60% de silicium et 40% de germanium. Les guides d’onde 41 viennent s’inscrire sur le substrat 40. Dans une première configuration, les guides d’onde 41 sont configurés pour guider un seul faisceau lumineux d’une longueur d’onde particulière. Avantageusement, au moins deux guides d’onde 41 parmi la pluralité de guides d’onde sont configurés pour respectivement guider des faisceaux lumineux de longueurs d’onde différentes, de sorte que la puce photonique 4 est adaptée pour de l’éclairage multispectral dans l’infrarouge.

[88]Selon une deuxième configuration, pouvant venir en alternative ou en addition à la première configuration décrite ci-avant, au moins un guide d’onde 41 ou une majorité de guides d’onde 41 ou tous les guides d’onde 41, sont aptes à guider plusieurs faisceaux lumineux F. Dans cette configuration, un guide d’onde 41 peut être apte à guider deux faisceaux lumineux de longueur d’onde identique ou de longueurs d’onde différentes, si les longueurs d’onde des faisceaux lumineux se propageant dans le guide sont proches. Dans un exemple, deux longueurs d’onde sont considérées comme proches si leur différence est inférieure ou égale à 0,3pm.

[89]Avantageusement, les guides d’onde 41 sont monomodes pour toutes les longueurs d’onde des faisceaux lumineux F considérés. C’est-à-dire que les guides d’onde 41 sont monomodes à la plus petite longueur d’onde considérée.

[90]Les guides d’onde 41 présentent chacun une zone d’entrée 412, au niveau de laquelle les faisceaux lumineux émis par les sources lumineuses 2 sont injectés dans les guides d’onde, et une zone de sortie 413, au niveau de laquelle les faisceaux lumineux injectés dans les guides d’onde sont extraits hors des guides d’onde. Typiquement, un faisceau lumineux est injecté à partir des sources lumineuses 2.

[91]Tous les guides d’onde 41 de la puce photonique 4 peuvent avoir la même épaisseur, pour une facilité de fabrication. L’épaisseur des guides d’onde 41 peut être comprise entre 500nm et 3pm.

[92]Alternativement, les zones d’entrée et/ou de sortie 112, 113 des guides d’onde 41 peuvent avoir en vue de dessus une forme parallélépipédique rectangle, prismique ou adiabatique afin de faciliter l’injection de la lumière dans le guide d’onde ou son extraction. La largeur d’un guide d’onde 41 peut donc être variable au niveau de ses zones d’entrée et/ou de sortie 112, 113. Dans cette configuration et afin d’assurer la monomodalité du guide d’onde 41, la largeur du guide d’onde 41 dans sa partie la plus étroite est comprise entre 500nm et 3pm. Dans la partie la plus large du guide d’onde 41, la largeur du guide d’onde 41 est comprise entre la valeur de la largeur la plus étroite (par exemple 500nm) et la grandeur de la zone à éclairer.

[93]A chaque guide d’onde 41 est associé un réseau de diffraction 42 permettant l’extraction de la lumière hors du guide d’onde 11 associé. Chaque réseau de diffraction 42 est optimisé pour une longueur d’onde particulière. Les réseaux de diffraction 42 présentent des pas 420 pouvant être constants ou variables. L’ordre de grandeur des pas 420 des réseaux de diffraction 42 est compris entre le micron et quelques microns. Les pas 420 sont choisis pour permettre l’extraction du faisceau lumineux F hors du guide d’onde 11 associé au réseau de diffraction 42 considéré.

[94]ll en résulte que les zones de sortie 413 des guides d’onde 41 correspondent à l’emplacement des réseaux de diffraction 42 dans le guide d’onde.

[95]Comme visible sur les figures, les guides d’onde 11 s’étendent linéairement dans un même plan, destiné à être parallèle à un plan (P) formé par la face gravée du substrat.

[96]On entend par « plan (P) formée par la face gravée » la face plane du substrat dans laquelle la gravure a été effectuée. La gravure en elle-même n’est pas prise en compte dans la définition du plan (P) formé par la face gravée du substrat.

[97]Selon une réalisation, les réseaux de diffraction 42 de chaque guide d’onde 41 sont positionnées symétriquement par rapport à la gravure 400 du substrat 40, selon un plan de symétrie de ladite gravure 400 du substrat 40, ledit plan de symétrie étant perpendiculaire au plan (P) formé par la face gravée du substrat.

[98]Avantageusement, les réseaux de diffraction 42 des guides d’onde sont disposés selon une symétrie radiaire de la puce photonique vue de haut. En d’autres termes, les réseaux de diffraction 42 des guides d’onde sont répartis autour de la gravure de sorte qu’un cercle de centre correspondant au centre de la gravure 400 du substrat 40 passe par les barycentres de tous les réseaux de diffraction 42, que la gravure 400 soit obtenue par une gravure isotrope ou anisotrope du substrat.

[99]Cela permet d’obtenir le même angle d’incidence sur la surface à éclairer du milieu pour toutes les sources lumineuses 2. Cela assure également la même profondeur de pénétration des faisceaux lumineux dans le milieu, ce qui permet de faciliter la calibration et la caractérisation du dispositif. Cela permet en outre d’obtenir des surfaces éclairées équivalentes pour toutes les sources lumineuses. Enfin, le placement des réseaux de diffraction autour de la gravure 400 et dans un même plan permet d’optimiser l’espace pour ajouter des éléments annexes (par exemple des thermistances à côté des sources lumineuses).

[100]Les figures 6 à 8 illustrent différents exemples de placement des sources et des guides d’onde par rapport à une gravure 400 obtenue par une gravure isotrope du substrat 40. Sur ces figures, les guides d’onde sont disposés de manière régulière autour de la gravure et selon une symétrie radiaire.

[101 ]La figure 9 illustre un autre exemple dans lequel les guides d’onde sont disposés de manière irrégulière autour de la gravure et selon une symétrie radiaire.

[102]La figure 10 illustre un exemple de placement des sources et des guides d’onde par rapport à une gravure 400 formant un carré en vue de haut. Ces exemples ne sont pas limitatifs et d’autres dispositions respectant la symétrie radiaire des gravures 400 sont possibles. Le nombre de guides d’onde et de sources est également donné à titre d’exemple.

[103]Concernant les figures 6 à 9, la position des guides d’onde est optimisée pour limiter les pertes en courbure. La gravure de forme ronde, vue de haut, est particulièrement avantageuse dans la mesure où le nombre de sources lumineuses n’est restreint que par la compacité souhaitée du dispositif.

[104]La figure 10 illustre une variante avec une gravure 400 obtenue par une gravure anisotrope du substrat 40 et quatre sources lumineuses. Dans cet exemple, la gravure 400 comprend quatre empreintes et forme donc un carré vu de haut. Dans un autre exemple, la gravure 400 peut comprendre huit empreintes et former un octogone vu de haut. Dans ce cas, huit sources lumineuses peuvent être prévues.

[105]Les faisceaux lumineux extraits par les réseaux de diffraction 42 hors des guides d’onde 41 sont dirigés vers la gravure 400 du substrat 40 de manière à atteindre le milieu.

[106]D’après la loi de Snell-Descartes pour la réfraction, l’angle critique au-delà duquel les faisceaux lumineux issus de la réfraction des réseaux de réfraction 42 subiront le phénomène de réflexion totale interne et pourront effectivement sortir du substrat 40 et éclairer le milieu vaut environ 17° dans la gamme de longueurs d’onde considérée, le silicium étant très peu dispersif dans l’infrarouge. Ainsi, les faisceaux lumineux issus de la diffraction des réseaux doivent être compris dans un cône d’angle de ± 17° par rapport à la normale au dioptre silicium/air.

[107]Les faisceaux lumineux extraits par les réseaux de diffraction 42 se propagent équitablement dans deux directions opposées, vers le substrat 40 et vers la gaine 411 supérieure. Par conséquent, avantageusement, si l’angle d’extraction est supérieur à l’angle critique de 17° ou si la face gravée du substrat 40 est métallisée, l’épaisseur de la gaine 411 supérieure au niveau de la zone de sortie 413 du cœur 410 est déterminée de façon à obtenir, à la longueur d’onde d’utilisation, des interférences constructives entre le faisceau lumineux extrait de la gaine 411 supérieure et le faisceau lumineux issu de la réflexion sur la face gravée du substrat 40.

[108]Pour permettre aux faisceaux lumineux d’être effectivement extraits du substrat 40 vers la scène à éclairer, l’angle de gravure 400 du substrat dans le cas où la gravure 400 est obtenue par une gravure anisotrope du substrat 40 (figure 2) est déterminé par les plans cristallins du silicium formant le substrat 40.

1 y-

[109]Par exemple, la gravure peut se faire sur les plans cristallins ^{1 ?} en utilisant un 1QQ\ substrat ' ^z et l’angle de gravure est alors égal à 54,74°.

[110]Selon un autre exemple, l’angle de gravure peut être égal à 45° en utilisant un substrat

[111 ]Le pas 420 des réseaux de diffraction 42 peut alors être avantageusement constant et choisi de sorte qu’à la longueur d’onde d’utilisation l’angle d’extraction après réfraction est égal à l’angle d’incidence souhaité sur la scène à éclairer qui est destinée à se trouver au niveau de la gravure du substrat, voir figure 4.

[112]Le pas 420 des réseaux de diffraction 42 est alors choisi suivant :

[114]Où À est la longueur d’onde d’utilisation ou la longueur d’onde d’utilisation médiane, neff est l’indice effectif du mode à la longueur d’onde À, nSiGe est l’indice de la gaine 111 en Silicium Germanium et QSiGe est l’angle d’extraction considéré dans le Silicium Germanium. Pour obtenir l’angle d’extraction dans l’air Qair, il suffit d’utiliser la loi de Snell-Descartes.

[115]Dans cette variante, puisque les faisceaux lumineux extraits par les réseaux de diffraction 42 sont collimatés, la longueur des réseaux de diffraction 42 dépend de la longueur caractéristique de la surface à éclairer et de l’angle d’extraction Qair. [116]Dans un cas particulier, si l’angle d’extraction des réseaux de diffraction 42 est choisi de telle sorte à ce que le faisceau lumineux arrive perpendiculairement sur les flancs de la gravure 400 obtenue par gravure anisotrope du substrat 40, alors la longueur des réseaux de diffraction 42 est égale à la longueur caractéristique de la surface à éclairer du milieu.

[117]La figure 4 illustre cette réalisation.

[118]Optionnellement, les flancs de la gravure 400 peuvent être traités antireflet pour limiter les pertes de Fresnel à l’interface Silicium/air. Le traitement antireflet appliqué est par exemple un dépôt d’une fine couche de ZnS. L’antireflet est optimisé pour une longueur d’onde particulière de la gamme de longueurs d’onde d’utilisation, par exemple la longueur d’onde médiane d’utilisation. L’épaisseur de la couche antireflet est par exemple égale à un quart de la longueur d’onde d’utilisation médiane, typiquement entre 1 et 3pm.

[119]Considérant le cas où la gravure est obtenue par une gravure isotrope du substrat 40 (figure 3), le profil de la gravure 400 visible sur la figure 2 est courbe, concave et divergent. Le profil n’est pas complètement circulaire car la gravure 400 est plus efficace dans la direction verticale que dans la direction horizontale.

[120]Avantageusement, dans ce mode de réalisation le pas 420 des réseaux de diffraction 42 n’est pas constant et l’angle d’extraction QSiGe n’est pas non plus constant, afin d’obtenir un faisceau lumineux collimaté hors du substrat 40 en tenant compte du dioptre concave de la face gravée, agissant comme une lentille divergente. [121 ]Le pas 420 des réseaux 42 est choisi de telle sorte qu'à la longueur d’onde d’utilisation et à chaque motif des réseaux de diffraction 42, l’angle d’extraction après réfraction est égal à l’angle d’incidence souhaitée sur la scène. Le pas 420 variable est alors choisi grâce à la loi des réseaux au premier ordre.

[122]Notamment, l’ordre de grandeur du pas 120 variable des réseaux 12 pour les longueurs d’onde considérées est le micron, voire quelques microns.

[123]Dans cette variante, la longueur des réseaux de diffraction 42 dépend de la longueur caractéristique de la surface à éclairer du milieu M, de l’angle d’extraction Qair et du profil de la gravure 400 obtenue par une gravure isotrope du substrat.

[124] Pour chaque variante de gravure (obtenue par une gravure anisotrope ou isotrope du substrat), le facteur de remplissage est déterminé de façon à homogénéiser l’éclairement sur la scène en compensant la loi exponentielle du principe de Beer-Lambert. Le facteur de remplissage est choisi croissant en fonction de la position du motif des réseaux 12, dans le sens de la propagation de la lumière.

[125]Optionnellement, les flancs de la gravure 100 peuvent être traités antireflet pour limiter les pertes de Fresnel à l’interface du substrat en silicium et de l’air. Le traitement antireflet appliqué est par exemple un dépôt d’une fine couche de ZnS. L’antireflet est optimisé pour une longueur d’onde particulière de la gamme de longueurs d’onde d’utilisation, par exemple la longueur d’onde médiane d’utilisation. L’épaisseur de la couche antireflet est par exemple égale à un quart de la longueur d’utilisation médiane, typiquement entre 1 et 3pm.

[126]Dans la description qui suit, le dispositif est décrit s’agissant de la détection photoacoustique indirecte. La personne du métier saura faire les changements nécessaires pour l’application du dispositif à la détection photoacoustique indirecte.

[127]Avantageusement, la surface à éclairer du milieu M est de l’ordre du millimètre ou de quelques millimètres.

[128]Une fois que le milieu M a été éclairé, ou irradié, par les faisceaux lumineux au moyen de la puce photonique 4, l’absorption, par le milieu, des faisceaux lumineux entraîne la création d’une onde thermique se propageant dans le milieu M. Lorsque l’onde thermique sort hors du milieu M et dans la cavité photoacoustique, une onde acoustique est générée. Cette onde acoustique peut être détectée par le transducteur 3.

[129]Pour ce faire, une cellule photoacoustique 5 est formée à partir de la puce photonique. Plus précisément, la cellule photoacoustique 5 comprend une surface de contact ouverte 50 correspondant à la face gravée du substrat 40 et une cavité 51 formée par la gravure 400 du substrat 40.

[130]La personne du métier, spécialiste notamment de la photoacoustique, saura mettre en œuvre ses connaissances générales afin de dimensionner la cavité photoacoustique en vue d’obtenir la réponse acoustique souhaitée. Notamment, la personne du métier saura que la cavité doit avoir les plus petites dimensions possibles afin d’optimiser la réponse impulsionnelle de la cavité à n’importe quelle fréquence de modulation dans le cas d’une cellule photoacoustique fermée. Dans le cas d’une cellule photoacoustique ouverte, les dimensions peuvent être choisies pour obtenir la fréquence de résonnance à la fréquence voulue

[131 ]Le transducteur 3 est nécessairement relié à la cavité 51. Le transducteur 3 est configuré pour détecter un signal généré, le signal généré étant généré dans la cavité 51 de la cellule photoacoustique 5 par l’effet photothermique dans le milieu M en réponse à l’irradiation du milieu par les faisceaux lumineux extraits du substrat 40. [132]Comme visible sur les figures 2 et 3, la gravure 100 peut être débouchante au niveau des guides d’onde 41 c’est-à-dire les traverser entièrement. Le transducteur 3 peut alors être placé au niveau de l’entrée débouchant sur les guides d’onde 41 de sorte à fermer la cavité 51 de ce côté-ci. La cavité 51 est avantageusement fermée au niveau de la face gravée du substrat 40 par le milieu M. [133]Selon une autre réalisation, la gravure 400 n’est pas débouchante au niveau des guides d’onde 41. Selon cette réalisation, une gravure 401 supplémentaire peut être faite dans le substrat 40 afin de relier le transducteur 3 à la cavité 51.

[134]Un exemple est illustré sur la figure 5. La figure 5 illustre le cas où la gravure 400 est obtenue par une gravure anisotrope du substrat, bien que ce mode de réalisation soit applicable au cas où la gravure 400 est obtenue par une gravure isotrope du substrat 40. Sur l’exemple de la figure 5, la gravure 300 reliant le transducteur à la cavité 51 peut être obtenue par des gravures à angle droit ou par des gravures isotropes ou anisotropes du substrat 40.

[135]Pour plus de compréhension de la figure 5, il est précisé que le transducteur 3 se trouve au premier plan, tandis que la puce photonique se trouve en arrière-plan.

[136]D’autres gravures peuvent également être ajoutées afin d’ajouter d’autres transducteurs tels que des transducteurs thermiques ou d’humidité, par exemple.

[137]Selon une autre réalisation, la gravure 400 est débouchante mais le transducteur 3 est relié à la cavité 51 par une gravure 401 telle que décrite ci-avant. Une fenêtre 6 peut alors être placée au niveau de l’entrée de la gravure 400 débouchant sur les guides d’onde 41 afin de fermer la cavité 51. La fenêtre 6 peut ainsi également permettre de protéger la cavité. La fenêtre 6 peut être fabriquée en silicium pour faciliter sa fabrication ou son report sur le dispositif.

[138]Selon un autre mode de réalisation, le transducteur 3 peut être directement intégré sur la galette de silicium utilisée pour le substrat. Ce mode de réalisation présente un avantage en termes de facilité de fabrication puisque la cellule photoacoustique, la puce photonique et le transducteur peuvent être intégrés en même temps sur silicium.

[139]Par exemple, le transducteur 3 est construit sur une galette de silicium qui est ensuite directement collée sur la galette de silicium formant le substrat 40.

[140]Optionnellement, comme illustré sur les figures 2 et 3, une fenêtre 6 peut être intercalée entre la face gravée du substrat 40 et le milieu M.

[141 ]La fenêtre 6 permet de protéger la cavité 51 des poussières ou de l’humidité. Elle permet de laisser passer les faisceaux lumineux vers le milieu et le signal généré vers la cavité.

[142]La fenêtre 6 peut être faite en un matériau transparent dans la gamme de longueurs d’onde considérée. La fenêtre 6 est par exemple faite en silicium.

[143]Alternativement, la fenêtre 6 peut être faite dans un matériau non transparent et comprendre une ouverture permettant de laisser passer les faisceaux lumineux vers le milieu et le signal généré vers la cavité. La taille de l’ouverture de la fenêtre est déterminée par la norme, c’est-à-dire la grandeur caractéristique inférieure au millimètre de la surface à éclairer du milieu et/ou par la grandeur caractéristique de la surface à éclairer du milieu.

[144]Avantageusement, la fenêtre 6 est en silicium et fabriquée ou reportée sur la même galette de silicium utilisée pour le substrat. Cela permet de réduire les coûts de fabrication.

[145]Un traitement antireflet peut être appliqué sur la fenêtre pour limiter les pertes de Fresnel à l’interface fenêtre/air. Si la fenêtre est en silicium, le traitement antireflet appliqué est par exemple un dépôt d’une fine couche de ZnS. L’antireflet est optimisé pour une longueur d’onde particulière de la gamme de longueurs d’onde considérée, par exemple la longueur d’onde médiane. L’épaisseur de la couche antireflet est par exemple égale à un quart de la longueur d’onde médiane. Typiquement, l’épaisseur de la couche antireflet est comprise entre 1 et 3 pm.

[146]La figure 11 illustre une variante de réalisation, sur laquelle le dispositif 1 est illustré en vue de dessus. Le dispositif 1 comprend une gravure 400 obtenue par une gravure anisotrope du substrat, bien que la variante de réalisation de la figure 11 soit également applicable au cas où la gravure 400 est obtenue par gravure isotrope.

[147]Dans cette variante, le dispositif 1 comprend, outre la pluralité de guides d’onde 41, un guide d’onde d’entrée 43. Ce guide d’onde d’entrée 43 est destiné à recevoir la pluralité de faisceaux lumineux F. Un démultiplexeur 44 est prévu, lequel est associé au guide d’onde d’entrée 43. Le démultiplexeur 44 est configuré pour injecter au moins un faisceau lumineux dans au moins deux des guides d’onde 41 de la pluralité de guides d’onde 41 qui lui est associée. Tous les guides d’onde 41 s’étendent dans un même plan, destiné à être parallèle au plan défini par la face gravée du substrat. Les zones de sortie 413 de chaque guide d’onde 41 sont positionnées symétriquement par rapport à la gravure 400 du substrat 40, selon un plan de symétrie de ladite gravure 400 du substrat 40, ledit plan de symétrie étant perpendiculaire au plan défini par la face gravée du substrat 400.

[148]Avantageusement, le nombre de guides d’onde 41 est égal au nombre de longueurs d’onde de la gamme de longueurs d’onde considérée. En variante, au moins un guide d’onde 41 peut être associé à deux longueurs d’onde différentes si elles sont proches, par exemple si la différence de longueurs d’onde est inférieure ou égale à 0,3pm.

[149]Dans ce mode de réalisation, le guide d’onde d’entrée 43 est monomode pour la plus petite longueur d’onde considérée et, de ce fait, pour toute la gamme de longueurs d’onde considérée.

[150]Avantageusement, l’épaisseur du guide d’onde d’entrée 43 et de la pluralité de guides d’onde 41 est la même, afin de faciliter la fabrication du dispositif 1. Le guide d’onde d’entrée 43 peut avoir en vue de dessus une forme parallélépipédique rectangle ou prisme ou une forme adiabatique pour faciliter l’injection des faisceaux lumineux dans le guide d’onde d’entrée 3.

[151 ]Le démultiplexeur 44 peut être de type A WG (« Arrayed Waveguide Grating », Réseau de guides d’onde en réseau en français), de type PCG (« Planar Concave Grating », Réseau plan concave en français), de type MZI (« Mach-Zehnder Interferometer », Interféromètre de Mach-Zehnder en français) ou de type MMI (« MultiModal Interference coupler », Coupleur d’interférence multimode en français). [152]Dans une autre variante, plus d’un guide d’onde d’entrée peut être utilisé. Dans cette variante, le nombre de démultiplexeurs utilisés est égal au nombre de guides d’onde d’entrée.