Femtosecond laser written spectrometer based on a photonic integrated circuit for hyperspectral imaging

L’imagerie hyperspectrale, qui restitue la composante spectrale d’une scène, ouvre de nombreuses perspectives dans des domaines aussi variés que l’observation terrestre, la biologie, l’imagerie médicale ou l’astronomie. Toutefois, les systèmes hyperspectraux actuels restent souvent encombrants, lourds et très sensibles aux vibrations du porteur ainsi qu’aux variations environnementales. L’objectif de cette thèse est de concevoir des modules technologiques permettant de réaliser un imageur hyperspectral compact, léger (contraintes SWaP) et résistant aux vibrations. Pour ce faire, nous nous sommes focalisés sur les circuits photoniques intégrés (PICs), qui offrent la possibilité de miniaturiser et de stabiliser des chaînes optiques complexes sur une puce. Dans un premier temps, nous avons étudié la réalisation de PICs par structuration de la matière à l’aide d’un laser femtoseconde, afin d’inscrire les guides d’ondes dans un substrat de silice. Nous avons ensuite identifié les fonctions optiques indispensables à la mise en oeuvre d’un interféromètre de Mach-Zehnder intégré : division de faisceau, contrôle de phase et recombinaison. Ces fonctions ont été analysées à la fois par simulations numériques (logiciels de propagation d’ondes) et par mesures expérimentales, permettant de valider les modèles théoriques. Nous avons finalement conçu et fabriqué une preuve de concept d’un spectromètre à transformée de Fourier basé sur une série de Mach-Zehnder intégré présentant des déphasages successifs. Les PICs, gravés par laser femtoseconde dans du verre de silice, ont été caractérisés expérimentalement, confirmant la précision du processus de gravure et la concordance avec les simulations. Cette étude démontre la faisabilité spectromètre intégré, compact et robuste, ouvrant la voie à des systèmes d’imagerie hyperspectrale adaptés aux environnements contraints et aux applications embarquées.