Au sein du laboratoire des capteurs optiques du département Optique et Photonique, une équipe de recherche a récemment franchi une étape technique importante dans le développement de ces sources laser miniaturisées. En intégrant des sources QCL infrarouges moyennes haute performance sur des plaquettes de silicium grâce à une intégration hétérogène de matériaux III-V sur silicium, les chercheurs ont développé une plateforme technologique évolutive, capable de produire des capteurs optiques compacts, robustes et potentiellement accessibles à grande échelle.
Cette approche ouvre la voie à de nouvelles générations de capteurs destinés notamment à la surveillance continue et non invasive de certains biomarqueurs, un enjeu majeur pour le suivi des maladies chroniques.
« Pour améliorer la qualité de vie des personnes atteintes de maladies chroniques, il est essentiel de pouvoir surveiller certains paramètres physiologiques de manière continue », explique Kevin Jourde, ingénieur chercheur en instrumentation optique. « Notre objectif est de rendre ces mesures aussi non invasives et discrètes que possible. Les technologies basées sur les QCL offrent une voie prometteuse pour y parvenir. »
Quand les molécules « chantent »
Badhise Ben Bakir, ingénieur chercheur et responsable du thème QCL, a souligné que ces lasers émettent dans la gamme de l'infrarouge moyen, où les molécules ont une véritable empreinte d'absorption.
« Les molécules « chantent » en absorbant des longueurs d'onde spécifiques. C'est leur signature : le système laser la lit comme un code-barres moléculaire. Notre défi consiste à créer des sources fiables, compactes et abordables, fabriquées à très grande échelle », a-t-il déclaré.
Pour relever ces défis, l'équipe de 10 personnes développera des sources micro-lasers dans les salles blanches du CEA-Leti, qui utilisent des technologies microélectroniques de pointe.
« Des milliers de lasers sur une seule plaquette »
« Ce sont les mêmes technologies que celles que l'on trouve dans les appareils high-tech courants. Nous utilisons des matériaux III-V, qui sont des émetteurs de lumière infrarouge très efficaces, contrairement au silicium », explique Marion Volpert, ingénieure chercheure en intégration de processus. « Mais dans notre cas, nous avons dû développer une architecture innovante, en utilisant l'intégration hétérogène, une technologie clé. Cela signifie assembler le matériau III-V sur du silicium par liaison moléculaire. L'avantage est que nous pouvons produire des milliers de lasers sur une seule plaquette et réduire considérablement les coûts. »
Badhise Ben Bakir qualifie par ailleurs de percée technologique, l'intégration « intelligente » du III-V sur le silicium, il ajoute que cette approche d'intégration ouvre également vers de nouvelles possibilités de conception :
« Nous concevons des architectures innovantes adaptées aux applications du monde réel. Au CEA-Leti, nous couvrons l'ensemble de la chaîne de valeur, des matériaux épitaxiés jusqu'aux systèmes photoniques intégrés. »
Une feuille de route pour l'avenir
Consciente du large éventail de possibilités en matière de R&D, Maëva Doron, ingénieure chercheure en capteurs optiques, a déclaré que pour transférer les systèmes QCL complets du laboratoire aux capteurs quotidiens, il fallait disposer d'une expertise clé en matière de conception et de modélisation, de fabrication, de caractérisation et d'assemblage.
« Ces technologies miniaturisées ouvrent de nouveaux domaines d'application dans la spectroscopie infrarouge et ces mesures deviennent plus largement accessibles et mieux adaptées aux besoins réels », a-t-elle déclaré.
« Par exemple, dans le domaine de la santé, pour mesurer la glycémie et d'autres biomarqueurs ; dans l'industrie, pour l'analyse et la surveillance des processus, y compris la bioproduction ; dans les applications environnementales, pour surveiller les niveaux de pollution atmosphérique et contrôler les émissions de gaz à effet de serre ou de substances toxiques. Et à plus long terme, pour la surveillance des plantes. »
Verbatims
Kevin Jourde, ingénieur chercheur en instrumentation optique
« La première fois que nous avons vu la lumière mesurée à l'écran, cela a été un moment très fort pour moi. »
Marion Volpert, ingénieure chercheure en intégration filière
« Nous avons allumé le laser en utilisant la deuxième architecture. La caméra était complètement saturée, il y avait tellement de lumière. »
Maëva Doron, ingénieure chercheure en capteurs optiques
« C'est vraiment le travail collectif de l'équipe, les idées et l'énergie de chacun, qui nous a permis d'atteindre ce niveau d'excellence. »
Badhise Ben Bakir, ingénieur chercheur et responsable thématique QCL
« La combinaison de nouvelles idées, de l'engagement de l'équipe et du regard neuf des doctorants nous a permis d'atteindre les niveaux de performance actuels. »