We are presenting an overview of MEMS-based (Micro-Electro-Mechanical System) optical switch technology starting from the reflective two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) MEMS implementations. To further increase the speed of the MEMS from these devices, the mirror size needs to be reduced. Small mirror size prevents efficient reflection but favors a diffraction-based approach. Two implementations have been demonstrated, one using the Texas Instruments DLP (Digital Light Processing), and the other an LCoS-based (Liquid Crystal on Silicon) SLM (Spatial Light Modulator). These switches demonstrated the benefit of diffraction, by independently achieving high speed, efficiency, and high number of ports. We also demonstrated for the first time that PSK (Phase Shift Keying) modulation format can be used with diffraction-based devices. To be truly effective in diffraction mode, the MEMS pixels should modulate the phase of the incident light. We are presenting our past and current efforts to manufacture a new type of MEMS where the pixels are moving in the vertical direction. The original structure is a 32 x 32 phase modulator array with high contrast grating pixels, and we are introducing a new sub-wavelength linear array capable of a 310 kHz modulation rate.

Cette thèse est consacrée à l'étude des micro-miroirs déformables pour l'optique adaptative. Les miroirs déformables actuels montrant aujourd'hui leurs limites en terme de nombre d'actionneurs et d'espace inter-actionneurs, une nouvelle classe de miroir doit être développée. En plus de satisfaire des spécifications actuelles requerrant entre autres une course de dix microns, une réponse linéaire et une bande passante supérieure au kilohertz, ces miroirs déformables devront aussi être compacts et comporter plusieurs milliers d'actionneurs. L'originalité de notre approche tient en la réalisation, en collaboration avec le Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes, de micro-miroirs déformables basés sur la technologie des MOEMS et en l'élaboration de couches sacrificielles et structurales en matériau Polymère.<br />Des moyens de modélisation et de caractérisation sont mis en œuvre pour comprendre le comportement de tels composants. Un banc de caractérisation interférométrique est développé afin d'étudier des composants dont les dimensions varient de la dizaine de microns à vingt millimètres. Les mesures de la qualité optique et du comportement électro-mécanique sont menées à bien en travaillant avec l'interférométrie à décalage de phase dont la résolution est inférieure au nanomètre. L'analyse dynamique incluant les modes de vibration et les fréquences de coupure, est effectuée avec l'interférométrie moyennée dans le temps.<br />Un prototype de micro-miroir déformable a été fabriqué dans une fonderie externe. Celui-ci comporte 9 actionneurs dont la course mesurée est de 350 nm. Cette valeur est trop faible pour générer les déformations dont nous avons besoin. En revanche, l'utilisation pour la première fois du procédé polymère a permis d'élaborer un actionneur permettant une course de 2 microns pour 30 V, confirmant les choix effectués jusqu'ici. Une électronique a été conçue et réalisée afin de rendre linéaire la réponse électrostatique de ces composants. Des simulations préliminaires montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. La conception de micro-miroirs déformables en polymère apparaît donc comme une voie prometteuse.

Microstructure manipulation is a fundamental process to the study of biology and medicine, as well as to advance micro- and nano-system applications. Manipulation of microstructures has been achieved through various microgripper devices developed recently, which lead to advances in micromachine assembly, and single cell manipulation, among others. Only two kinds of integrated feedback have been demonstrated so far, force sensing and optical binary feedback. As a result, the physical, mechanical, optical, and chemical information about the microstructure under study must be extracted from macroscopic instrumentation, such as confocal fluorescence microscopy and Raman spectroscopy. In this research work, novel Micro-Opto-Electro-Mechanical-System (MOEMS) microgrippers are presented. These devices utilize flexible optical waveguides as gripping arms, which provide the physical means for grasping a microobject, while simultaneously enabling light to be delivered and collected. This unique capability allows extensive optical characterization of the structure being held such as transmission, reflection, or fluorescence. The microgrippers require external actuation which was accomplished by two methods: initially with a micrometer screw, and later with a piezoelectric actuator. Thanks to a novel actuation mechanism, the “fishbone”, the gripping facets remain parallel within 1 degree. The design, simulation, fabrication, and characterization are systematically presented. The devices mechanical operation was verified by means of 3D finite element analysis simulations. Also, the optical performance and losses were simulated by the 3D-to-2D effective index (finite difference time domain FDTD) method as well as 3D Beam Propagation Method (3D-BPM). The microgrippers were designed to manipulate structures from submicron dimensions up to approximately 100 µm. The devices were implemented in SU-8 due to its suitable optical and mechanical properties. This work demonstrates two practical applications: the manipulation of single SKOV-3 human ovarian carcinoma cells, and the detection and identification of microparts tagged with a fluorescent “barcode” implemented with quantum dots. The novel devices presented open up new possibilities in the field of micromanipulation at the microscale, scalable to the nano-domain.

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. / Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.

L'absence de source continue monochromatique Térahertz (THz) appropriée constitue un handicap majeur pour le développement des applications associées à cette gamme de longueur d’ondes. En effet, les technologies électroniques et optiques actuelles ne permettent de couvrir qu’une part réduite du spectre électromagnétique THz (0,3-10 THz). Dans ce contexte, la conversion de fréquences optiques, et plus précisément le photo –mélange, est une voie prometteuse pour la génération de signal THz de haute pureté spectrale sur toute la fenêtre du spectre THz. Le photomélange consiste à pomper un dispositif optoélectronique ultrarapide par deux signaux lasers dont les fréquences sont séparées par quelques THz (0,3 à 5 THz). Dans ce travail, nous proposons un nouveau micro-résonateur photonique bifréquence à cavité verticale et monolithique pour la réalisation de source laser bifréquence pour le photomélange. Ce nouveau résonateur est basé sur le couplage de deux résonateurs photoniques, un cristal photonique membranaire résonant d’une part et une cavité Fabry Pérot verticale d’autre part, accordés spectralement, pour réaliser un composant bifréquence. Le couplage optique résultant de l’association de ces deux éléments permet la génération de deux modes hybrides dont la différence de fréquence peut être ajustée en fonction du taux de couplage et donc de la position du cristal photonique dans le micro-résonateur. Le présent travail de thèse porte sur la conception, la fabrication de ce nouveau dispositif bifréquence et son application à la réalisation d’une source laser bi-mode semiconductrice fonctionnant à 1.55dm. / The lack of suitable monochromatic continuous-wave terahertz source consists of one the majors hurdles for terahertz spectrum applications development in various domains. Both electronic and optic technologies don’t allow covering all terahertz electromagnetic spectrum (0.3-10 THz). In this context and in order to generate high spectral purity wave over all THz spectrum window, a well-established technique consists in the photo-mixing procedure, where an ultrafast optoelectronic device is pumped by two laser signals whose frequencies are separated by an offset in the 0.3-5 THz window. In this work, we propose a novel dual-wavelength photonic micro resonator to provide a dual-mode monolithic semiconductor laser for THz generation by photo-mixing instead of the basic photo-mixing approach based on the use of two independent lasers. The novel photonic microresonator associates a vertical Fabry Perot (FP) cavity and photonic crystal membrane (PCM)resonators. A PCM exhibiting a resonant mode at normal incidence is inserted in a FP cavity with a resonant vertical mode at the same wavelength λ0. The resulting strong optical coupling leads to the generation of two mixed modes separated by a frequency difference which can be tuned through the loss rate of the PCM and its position inside the FP cavity. The work of this thesis focuses on the design, the micro-fabrication and the characterization of the dual-frequency resonator and its application to the realization of a single compact and flexible dual-mode semiconductor laser source around 1.55μm.

Cette thèse décrit le design, la simulation et la fabrication d’une matrice 4x4 de micro-miroirs actionnée verticalement et munie d’un capteur de position. Le micro-scanneur vertical a pour vocation à être intégré au sein d’un micro-interféromètre de Mirau de type matriciel, réalisé àbase de composants micro-optiques fabriqués grâce à des méthodes collectives. Le mouvement du micro-scanneur, développé dans cette thèse, génère un signal de référence utilisé pour l’implémentation de l’interférométrie à modulation de phase dans un système de tomographie par cohérence optique (OCT). Dans un premier temps, la thèse introduit le besoin d’un système d’imagerie adapté pour la détection précoce des cancers de la peau et établit les spécifications optiques requises par cette application. A partir de ces spécifications, le design du système OCT basé sur le micro-interféromètre de Mirau est présenté. En parallèle, l’état de l’art des technologies de micro-actionnement est décrit et un actionnement électrostatique à base de peignes interdigités est choisi pour actionner et lire la position de la matrice de micro-miroirs. En effet ce type d’actionnement bénéficie d’une bonne compatibilité avec le design du micro-interféromètre de Mirau. Dans un second temps, le cœur de la thèse expose le développement du micro-scanneur vertical, c.à.d le design et les simulations ainsi que la fabrication et la caractérisation. / This thesis describes the design, simulation and fabrication of a vertically actuated 4x4 array ofmicromirrors with embedded position sensing function. The vertical microscanner is meant to beintegrated within an array-type Mirau microinterferometer realized with optical microcomponentsfabricated using collective techniques. The microscanner, developed in this thesis, provides areference signal that is used for the implementation of phase modulation interferometery in an opticalcoherence tomography (OCT) system. This thesis first introduces the need for adapted imagingsystems for the early diagnosis of skin cancer and establishes the optical specifications requiredby this specific application. Based on these specifications, the design of the OCT system based onthe Mirau microinterferometer is presented. In parallel, the state of the art of the microactuationtechnologies is discussed and comb drive electrostatic actuation is chosen, for its compatibilitywith the design of the Mirau microinterferometer, to actuate and sense the position of the array ofmicromirrors. Then, the core of the thesis deals with the development of the vertical microscanner,i.e. its design and simulations, its fabrication and its characterization.

Les travaux de thèse concernent le design optique et le développement d’un microscope confocal miniature MEMS intégré verticalement. Différentes architectures optiques ont été proposées afin de combiner un design optique optimal aux nombreuses contraintes technologiques liées à la fabrication collective des différents blocs élémentaires du microscope sur puce. Ceux-ci, réalisés avec des technologies hybrides, sont encapsulés par assemblage vertical de wafers utilisant les technologies de soudure ≪multi-wafer≫, et permettent la construction d’un microsystème complet d’instrumentation. Un accent particulier a été émis sur la minimisation des aberrations optiques générées par les différents composants micro optiques pour permettre une résolution de mesure élevée. Pour satisfaire ces besoins, différentes briques élémentaires ont été développées : un cube semi-transparent micro-fabriqué, différentes microlentilles réfractives basées sur le micro moulage silicium et un micro-objectif réflecteur. Un montage expérimental de caractérisation dédié à l’ évaluation de la qualité de ces micro composants a également été proposé. De plus, les différents procédés de micro-usinage silicium (gravure humide anisotrope et isotrope, gravure sèche isotrope du silicium) pour la génération de micro-miroirs et de microlentilles ont été comparés. Enfin, les procédures d’assemblage vertical, incluant toutes les technologies d’interconnexion électrique ont été développées. Le travail de thèse a été réalisée dans le cadre du projet DWST-DIS ( The Development of Multi Wafer Stacking 3D Technology for Displays and Imaging MicroSystems), programme financé par le programme Inter Carnot Fraunhofer (PICF) - un projet ANR entre FEMTO-STet l’institut Fraunhofer ENAS. / The thesis manuscript concerns optical design and development of a vertically integrated MEMSbasedconfocal microscope. Different optical architectures have been proposed that aim to combineoptimal optical design and the numerous technological constraints linked to the batch fabricationof the different building blocks. The latter, made by hybrid technologies, and packaged byvertical assembly using multi- wafer bonding, allow the construction of a complete microsystem forinstrumentation. Special emphasis is placed on the minimization of optical aberrations generatedby the different microoptical components to ensure good resolution of measurement. For thesepurposes, different building blocks have been developed, namely a batch-fabricated cube-typedbeamsplitter, different silicon moulded refractive microlenses and a miniature reflective objective.Dedicated characterization system for quality assessment of the fabricated micro-components wasalso developed. Moreover, different processes of silicon-based micromachining for generation ofmicromirrors and microlenses (wet anisotropic and isotropic etch, dry isotropic etch of silicon) havebeen compared. Finally, procedures of vertical assembly including all electrical interconnectiontechnologies have been developed. The thesis work was performed in the frame of the DWST-DIS(The Development of Multi Wafer Stacking 3D Technology for Displays and Imaging MicroSystems)project funded by the Programme Inter Carnot Fraunhofer (PICF) – an ANR project between FEMTO-STand ENAS - Fraunhofer Institute.

Ce travail propose l’utilisation d’un nouveau matériau, appelé PMN-PT, qui continue aider la miniaturisation des systèmes complexes, utilisés dans des différentes technologies. Le travail est présenté dans le cadre de collaboration entre deux projets, MIOP et ADMAN. Les besoins tient compte que les actionneurs soient capables de délivrer de haute déplacement tout en conservant la simplicité et la fiabilité du système. L’accent est mis sur la polyvalence de ce matériau piézo-électrique, PMN-PT, en raison de ses propriétés électro-mécanique. Le travail comprend un aperçu sur quoi influence les propriétés électro-mécaniques du PMN-PT. L’accent est mis sur deux différentes, mais très puissants coupes: anisotrope [011] et longitudinale [001], choisi pour grand déplacement et haute dynamique avec un volume petit. Pour le PMN-PT[001], une structure de type poutre a été étudié, avec un modèle amélioré pour prendre en compte les spécificités de matériel. Les déplacements et forces ont été trouvés d’ être supérieur `a un actionneur en PZT, similairement dimensionnée, tandis que avoir des non-linéarités réduites. Ceci est illustré avec une micro pince avec 6DDL. L’étude de PMN-PT [001] coupé longitudinal suit. Cette étude a été fait en utilisant PMNPT comme un actionneur avec une structure simple, facile à intégrer. Les résultats démontrent les améliorations PMN-PT peut apporter à micro-spectrométrie et la correction d’image avec des micromiroirmobiles. Un micro actionneur PMN-PT a été intégré dans une structure compatible avec des MOEMS et présenté. / This work proposes the use of a novel material, called PMN-PT, that futher aids the miniaturizationof complex systems used in different technologies. The work is presented within the collaborativeframework of two projects, MIOP and ADMAN. The end-needs account for actuators capable ofdelivering high displacement, while maintaining system simplicity and reliability. The focus is onthe versatility of the PMN-PT piezoelectric material, due to its electro-mechanical properties. Thework includes an overview on what influences the electro-mechanical properties focusing on twodifferent, though very potent cuts: anisotropic [011] and longitudinal [001]. They were chosen forgenerating large displacement and high dynamics with small volume. For PMN-PT[001] a cantileverstructure was studied, for which the model was improved taking into account the material specificities.Displacements and forces were found to be superior to a similarly dimensioned PZT actuator, whilsthaving reduced non-linearities. This is exemplified with a 6 DoF capable microgripper. The PMNPT[001] longitudinal cut based actuator study follows. This is done by using PMN-PT as a simple,easy to integrate, bulk actuator. The findings demonstrate the improvements PMN-PT can bringto micro-spectrometry and image correction with micro-mirror displacement. A bulk PMN-PT microactuator was integrated into a MOEMS compatible structure and presented.

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. / Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.

This thesis presents a unique design for an infrared spectrometer based on a MEMS Binary Fresnel Zone Plate for the purpose of assessing the health of oil-impregnated high voltage (HV) equipment. It does so by measuring dissolved gases within it. These gases include carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, and acetylene. These gases are currently measured using numerous technologies such as gas combustion, gas chromatography, photoacoustic spectroscopy, and FTIR spectroscopy. Each of these technologies have their advantages and disadvantages. The design presented in this thesis consists of an analysis of how the various Binary Zone Plate parameters affect its spectral resolution and transmission efficiency. Simulations show that increasing the number of zones and the focal length, as well as decreasing the aperture diameter, increases the spectral resolution of the spectrometer. Simulations also show that transmission efficiency is proportional to the number of zones and the aperture diameter. This thesis presents a theoretical argument for how one zone plate lens can be used to measure all dissolved gases present in HV equipment. Lenses for the visible and infrared ranges were fabricated in the University of Manitoba NSFL Cleanroom. The lenses were then tested in an optical setup. The results show that the visible light experiments were successful in achieving appropriate spectral discrimination by changing the distance between the aperture and the lens. The results from the infrared experiment show that a detector was able to discriminate between full and no incident radiation. / May 2017