FR3020143A1 - Filtre en transmission selectif en longueur d'onde a cavite resonnante - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un filtre (10) en transmission à cavité résonante sélectif en longueur d'onde comprenant : -une partie centrale (PC) planaire selon un plan XY horizontal comprenant : -un réseau de couplage (CG) présentant une première variation périodique de permittivité diélectrique, -une première et une deuxième zones latérales de phase (ZL1, ZL2) dépourvues de permittivité périodique, et disposées de part et d'autre du réseau de couplage (CG) et adjacentes à celui-ci, -une première et une deuxième zones verticales de phase (ZV1, ZV2) dépourvues de permittivité périodique, et disposées de part et d'autre du réseau de couplage (CG), -une première et une deuxième structures à haute réflectivité latérales (HRL1, HRL2) disposées de part et d'autre de la partie centrale (PC), adjacentes respectivement aux première et deuxième zones de phase latérales, pour confiner latéralement le mode localisé (Ol), -une première et une deuxième structures à haute réflectivité verticales (HRV1, HRV2) disposées de part et d'autre de la partie centrale (PC), pour confiner verticalement le mode localisé (Ol) et pour réfléchir une onde incidente (Oinc) présentant des longueurs d'onde appartenant à une bande spectrale de réflexion (AA) comprenant la longueur d'onde de résonnance, ledit filtre formant une cavité résonnante pour le mode localisé (Ol).

Description

Filtre en transmission sélectif en longueur d'onde à cavité résonnante DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des réseaux sélectifs en 5 longueur d'onde, et plus particulièrement des réseaux en transmission utilisant un effet de résonnance à la longueur d'onde sélectivement transmise. La présente invention trouve à s'appliquer pour des longueurs d'onde du domaine optique visible, infrarouge et hyperfréquence, typiquement 10 comprises entre 400 nm et 500 um. ETAT DE LA TECHNIQUE 15 Les filtres optiques sélectifs en longueur d'onde classiquement utilisés dans l'industrie se classent selon trois grandes familles : - Filtres optiques en verre coloré. Ces filtres se caractérisent par leur très bonne réjection optique (absorption des longueurs d'onde non désirées de l'ordre de 10-4 à 10-8). Ces filtres ne sont en revanche pas étroits 20 spectralement. - Filtres optiques interférentiels. Ces filtres sont constitués d'un empilement de nombreuses couches minces. Ils peuvent être étroits spectralement, et leurs performances de filtrage peuvent être optimisées en fonction du besoin. Pour une fonction de filtrage complexe, un très grand 25 nombre de couches est nécessaire, typiquement de 100 à 1500 couches minces. - Filtres optiques « dispersifs » : filtres à réseau ou bien de type prisme. Ce type de filtrage doit être intégré dans un système optique complexe pour fonctionner. 30 En dehors de ces trois grandes familles industrielles, de nombreux travaux de recherche se sont concentrés ces dernières années sur les filtres à réseaux résonants dénommés GMRF pour « Guided Mode Resonant Filter » en terminologie anglo-saxonne, tels que décrits dans le document US 5598300. Ces composants peuvent fonctionner en réflexion ou en transmission, et se composent d'un réseau central faisant fonction de guide résonant, compris dans une structure diélectrique multicouches, chaque couche ayant une épaisseur de À/2 ou À/4. En transmission, un fonctionnent optimal est obtenu lorsque le réseau est situé dans un plan de symétrie de la structure. Ces filtres réalisent un filtrage spectral ultra fin typiquement de À/ AÀ égal à quelques centaines à quelques milliers pour un filtre en transmission. Un inconvénient de ces filtres est une faible tolérance angulaire, ce qui signifie une dépendance de la longueur d'onde filtrée en fonction de l'angle d'incidence.

Plus récemment, un filtre à cavité résonante, dénommé CRIGF pour « Cavity-Resonator-Integrated Guided-mode-resonance Filter » selon la terminologie anglo-saxonne fonctionnant en réflexion a été décrit dans la demande de brevet JP2012098513, la publication de K. Kintaka, T. Majima, J. 'noue, K. Hatanaka, J. Nishii, and S. Ura, "Cavity-resonator-integrated guided-mode resonance filter for aperture miniaturization," Opt. Express 20, 1444-1449 (2012), et est schématisé figure 1. Ce filtre comprend un guide d'onde 2, déposé sur un substrat 8, un réseau central de couplage 1 disposé sur le guide et deux réseaux latéraux DBR, réalisant une fonction de réflexion de type Bragg distribué (DBR en terminologie anglo-saxonne pour Distributed Bragg Reflector). Deux zones de phase 3 sont disposées entre le réseau central et les réseaux latéraux. Une onde incidente 4 sur le filtre se divise en une partie réfléchie 5 et une partie transmise 6. Le réseau de couplage permet de coupler l'onde incidente 4 à un mode guidé 7 qui se propage dans le guide 2 et se réfléchit sur les miroirs DBR. Les zones de phase sont dimensionnées de façon à mettre en phase les modes guidés propagatif et contrapropagatif afin d'obtenir un seul pic de résonance spectrale en réflexion. Pour de telles zones de phase deux situations se présentent selon la longueur d'onde de l'onde incidente. Hors résonance, l'onde ne se couple pas aux modes guidés propagatif et contrapropagatif et est essentiellement transmise. A la résonance, l'onde se couple aux modes guidés qui sont alors réémis en réflexion. Le réseau central est disposé à l'extérieur du guide afin d'assurer un recouvrement non-nul mais faible et perturbatif entre les modes guidés 5 propagatif et contrapropagatif et le réseau central, ce qui assure un pic de résonance en réflectivité étroit. Ces filtres réflectifs sélectifs en longueur d'onde peuvent être utilisés comme miroirs dans un dispositif laser de type VCSEL pour Vertical Cavity Surface Emitting Laser en terminologie anglo-saxonne ou bien dans un dispositif de 10 diode laser en cavité étendue (ou ECDL Extended Cavity Diode Laser en terminologie anglaise). Ces filtres fonctionnent en réflexion en incidence normale et ne peuvent donc pas être intégrés directement dans le système de détection de systèmes optiques. Leur emploi nécessite de séparer le faisceau incident du faisceau 15 retour par un dispositif optique, typiquement un cube séparateur de faisceau. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités, et plus particulièrement de réaliser un filtre sélectif en longueur d'onde à cavité résonante fonctionnant en transmission. 20 DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un filtre en transmission à cavité résonante sélectif en longueur d'onde comprenant : -une partie centrale planaire selon un plan XY horizontal comprenant : 25 -un réseau de couplage présentant une première variation périodique de permittivité diélectrique, -une première et une deuxième zones latérales de phase dépourvues de permittivité périodique, et disposées de part et d'autre du réseau de couplage et adjacentes à celui-ci, 30 -une première et une deuxième zones verticales de phase dépourvues de permittivité périodique, et disposées de part et d'autre du réseau de couplage et adjacentes à celui-ci, selon un axe Z perpendiculaire au plan XY, - le réseau de couplage et les zones de phases étant configurés pour assurer un couplage d'une onde incidente de longueur d'onde de résonance se propageant dans le filtre avec un mode localisé de même longueur d'onde, -une première et une deuxième structures à haute réflectivité latérales disposées de part et d'autre de la partie centrale, adjacentes respectivement 5 aux première et deuxième zones de phase latérales, pour confiner latéralement le mode localisé, -une première et une deuxième structures à haute réflectivité verticales disposées de part et d'autre de la partie centrale, adjacentes respectivement aux première et deuxième zones de phase verticales, pour confiner 10 verticalement le mode localisé et pour réfléchir une onde incidente présentant des longueurs d'onde appartenant à une bande spectrale de réflexion comprenant la longueur d'onde de résonnance, ledit filtre formant une cavité résonnante pour le mode localisé, apte à rayonner une onde de longueur d'onde de résonance qui interfère avec les 15 ondes incidente et réfléchie de manière constructive dans un sens propagatif et de manière destructive dans un sens contrapropagatif, de sorte que l'onde transmise à la longueur d'onde de résonance est maximisée. Avantageusement, le mode localisé correspond à une onde stationnaire 20 présentant des extrema et des zéros de champ électrique, deux extrema successifs présentant un signe opposé, et dans lequel le réseau de couplage est agencé de sorte que les maxima de permittivité diélectrique coïncident avec des extrema de même signe de champ électrique. Avantageusement, une épaisseur optique de la partie centrale selon la 25 direction verticale correspond à un multiple entier impair du quart de la longueur d'onde de résonance. Selon un mode de réalisation, le filtre selon l'invention comprend une troisième et une quatrième zones latérales de phase et une troisième et une quatrième structures à haute réflectivité latérales, et un réseau de couplage 30 présentant une variation périodique de permittivité diélectrique bidimensionnelle, le filtre formant une cavité résonante tridimensionnelle. Avantageusement, le filtre selon l'invention présente un plan de symétrie. Avantageusement, au moins une structure à haute réflectivité verticale comprend un empilement de couches diélectriques d'épaisseur optique 35 sensiblement égale à un quart de la longueur d'onde de résonance.

Selon un mode de réalisation au moins une structure à haute réflectivité verticale comprend une structure périodique présentant une période inférieure à la longueur d'onde de résonance. En variante, au moins une structure à haute réflectivité latérale comprend un 5 réseau latéral présentant une deuxième variation périodique de permittivité diélectrique sensiblement égale à la moitié de la première variation périodique de permittivité diélectrique. Selon un mode de réalisation, au moins une structure à haute réflectivité latérale comprend une face polie comprenant un traitement haute réflectivité. 10 Selon un mode de réalisation, le réseau de couplage comprend une alternance d'un matériau fort indice et d'un milieu en phase gazeuse ou liquide, le milieu étant apte à circuler dans le filtre. Selon un mode de réalisation, le filtre selon l'invention comprend une pluralité de parties centrales et de structures hautes réflectivité latérales 15 associées, agencées sur un même substrat, chaque partie centrale présentant une longueur d'onde de résonance choisie. En variante, le réseau de couplage présente une variation continue de la périodicité de la permittivité diélectrique selon une dimension X ou Y. 20 Selon un autre aspect, l'invention porte sur un photo détecteur comprenant une pluralité de détecteurs élémentaires et comprenant une pluralité de filtres selon l'invention positionnés en amont des détecteurs élémentaires, un filtre étant associé à un détecteur élémentaire et présentant une longueur d'onde de résonance choisie dans une bande de détection du détecteur élémentaire 25 associé. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard 30 des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : -La figure 1 schématise un filtre à cavité résonante en réflexion selon l'art antérieur. -La figure 2 schématise un filtre selon l'invention. -Les figures 3a et 3b illustrent la position des extrema de champ électrique du mode localisé dans la cavité résonnante pour un filtre optimisé. -La figure 4 illustre la position des extrema de champ électrique du mode localisé dans la cavité résonnante pour un filtre ne fonctionnant pas. -La figure 5 illustre une première variante d'un filtre selon l'invention avec une variation unidimensionnelle de la permittivité diélectrique du réseau de couplage. -La figure 6 illustre une deuxième variante d'un filtre selon l'invention avec une variation bidimensionnelle de la permittivité diélectrique du réseau de 10 couplage. -La figure 7 illustre une variante dans laquelle les plots du réseau de couplage ont une forme rectangulaire. -La figure 8 illustre un mode de réalisation dans lequel les structures HR verticales comprennent un empilement de couches diélectriques. 15 -La figure 9 illustre une autre variante selon laquelle les structures HR verticales comprennent une structure périodique sub longueur d'onde. -La figure 10 schématise une variante du filtre selon l'invention présentant un plan de symétrie. -Les figures 11a et 11b illustrent un exemple de filtre selon l'invention 20 présentant des structures latérales comprenant des réseaux latéraux. -La figure 12 illustre la répartition de l'enveloppe du champ électrique du mode localisé. -Les figures 13a et 13b illustrent les performances spectrales d'un filtre selon l'invention. 25 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Un filtre 10 selon l'invention est schématisé figure 2. Ce filtre présente une transmission maximum à une longueur d'onde de résonance À0 et une haute 30 reflectivé pour une bande spectrale AÀ autour MI Le filtre selon l'invention fonctionne pour des longueurs d'ondes comprises dans la bande optique visible, infra rouge et hyperfréquence, typiquement pour des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 500 pm. Pour décrire le fonctionnement du filtre 10 on considère une onde incidente 35 sur le filtre Oinc, qui se propage dans le filtre 10. Le filtre génère à partir de l'onde Oinc, par superposition interférentielle, une onde réfléchie Or et une onde transmise Ot qui se propagent dans le filtre puis en sortent. Le filtre 10 comprend une partie centrale de géométrie planaire PC selon un plan XY. La figure 2 est un plan en coupe selon par exemple un plan YZ.

La partie centrale PC comprend un réseau de couplage CG présentant une première variation périodique de permittivité diélectrique Ae(x). La partie centrale PC comprend également une première zone latérale de phase ZL1 et une deuxième zone latérale de phase ZL2. Ces zones sont dépourvues de permittivité périodique, disposées de part et d'autre du réseau de couplage 1 0 CG et adjacentes à celui-ci. La partie centrale comprend en outre une première zone verticale de phase ZV1 et une deuxième zone verticale de phase ZV2, également dépourvues de permittivité périodique, disposées de part et d'autre du réseau de couplage CG et adjacentes à celui-ci, selon un axe Z perpendiculaire au plan XY. 15 Le réseau de couplage CG et les zones de phases ZL1, ZL2, ZV1, ZV2 sont configurés pour assurer un couplage d'une onde incidente Oinc de longueur d'onde de résonance À0 se propageant dans le filtre avec un mode localisé 01 de même longueur d'onde MI La manière d'obtenir un couplage optimum est détaillée plus loin. 20 Le filtre 10 comprend également une première structure à haute réflectivité latérale HRL1 de nature interférentielle adjacente à la première zone de phase latérale ZL1, et une deuxième structure à haute réflectivité latérale HRL2 de nature interférentielle adjacente à la deuxième zone de phase latérale ZL2. Les structures HRL1 et HRL2 sont disposées de part et d'autre 25 de la partie centrale PC, et ont pour fonction de confiner latéralement le mode localisé 01 (rôle de miroir latéral). Le filtre 10 comprend également une première structure à haute réflectivité verticale HRV1 adjacente à la première zone de phase verticale ZV1, et une deuxième structure à haute réflectivité verticale HRV2 adjacente à la 30 deuxième zone de phase verticale ZV2. Les structures HRV1 et HRV2 sont disposées de part et d'autre de la partie centrale PC dans un plan vertical, et ont pour fonction de confiner verticalement le mode localisé 01. Ainsi le réseau central CG et les zones de phase ZL1, ZL2, ZV1, ZV2 permettent de coupler, c'est-à-dire d'exciter un mode localisé 01 dans la 35 partie centrale PC à partir de l'onde incidente Oinc. Ce mode localisé est confiné latéralement et verticalement par les structures à haute réflectivité HRL1 , HRL2, HRV1, HRV2. Les structures à haute réflectivité verticales HRV1 et HRV2 sont par ailleurs configurées pour réfléchir une onde incidente Oinc sur une bande spectrale 5 de réflexion 0À comprenant la longueur d'onde de résonnance ÀO. Ainsi hors résonance, c'est à dire pour une onde incidente Oinc(À) de longueur d'onde À comprise dans la bande AÀ mais différente de ÀO, le filtre est équivalent à une structure interférentielle haute réflectivité classique. La partie centrale du filtre PC est configurée pour n'être pas « vue » par l'onde 10 incidente Oinc(À) qui n'interagit pas avec celle-ci. A la résonance, c'est à dire pour une onde incidente Oinc(À0) de longueur d'onde ÀO, le mode localisé 01 est excité dans la partite centrale PC et confiné latéralement et verticalement par les structures haute réflectivité. Le mode localisé prend la forme d'une onde stationnaire dans toutes les 15 directions de l'espace localisée dans la partie centrale. La longueur d'onde de résonance ÀO est fonction du pas A du réseau de couplage CG. En effet de manière classique, les vecteurs associés au réseau de couplage, à l'onde incidente Oinc et au mode localisé 01 vérifient la loi des réseaux qui se traduit par une formule approchée selon laquelle : 20 2-rr/A =--.. 2-rr neff /À0 neff étant l'indice effectif associé au mode localisé qui se calcule à partir des indices de couches, de leurs épaisseurs et de la forme du réseau et correspond à un indice équivalent. Préférentiellement, le réseau central CG constitue un réseau du second 25 ordre pour le mode localisé 01 de longueur d'onde ÀO. Il permet ainsi d'assurer un couplage résonant entre l'onde incidente Oinc et le mode localisé 01. Les zones de phase ZL1, ZL2, ZV1 et ZV2 sont ajustées pour que le 30 coefficient de couplage K entre l'onde incidente et le mode localisé soit non nul mais de faible valeur. K est définieVolume du réseau comme : K = Eincident - DE. Em ode" (1) Où Eincident est le champ incident de l'onde incidente Oinc, Emode est le champ 35 du mode localisé 01 et AE la variation de permittivité diélectrique.

Nous allons à présent décrire la manière dont les structures haute réflectivité et les zones de phase formant la cavité d'une part, et le réseau de couplage d'autre part, sont agencés pour assurer un couplage optimal de l'onde incidente Oinc de longueur d'onde ÀO avec le mode localisé O, dans la partie centrale PC. Tout d'abord il convient que le chemin optique vertical, soit l'épaisseur optique de la partie centrale PC (comprenant la partie centrale et les zones de phases verticales ZV1, ZV2) corresponde à un multiple entier impair du quart de longueur d'onde de résonance (ÀO/4) afin d'assurer que cet empilement vertical se comporte comme un réflecteur à haute réflectivité pour toutes les longueurs d'onde hors résonance de la bande de réflectivité 0À. Ainsi, si l'on fait abstraction du réseau de couplage CG et du mode localisé dans la partie centrale, l'empilement global se comporte comme un miroir HR sur toute la bande AÀ. Cette condition a également pour conséquence que le recouvrement entre l'onde incidente Oinc et la variation de permittivité diélectrique AE est faible, la structure verticale HR assurant une atténuation exponentielle de l'onde incidente lors de sa pénétration dans la structure, ce qui assure au filtre une finesse spectrale du pic de résonnance. Si le chemin optique vertical est choisi de façon à ce qu'il correspond à un nombre pair de fois ÀO/4, le filtre ne fonctionne plus, il perd son caractère monomode et sa finesse. En effet toute une gamme de longueurs d'onde au voisinage de ÀO est transmise à travers l'empilement complet par effet Fabry Pérot. L'existence de ces modes perturbe le fonctionnement du filtre, en particulier cela peut le rendre fortement multimode. Concernant l'optimisation latérale, la figure 3 illustre deux cas d'agencement 30 optimal, un premier cas illustré figure 3a et un deuxième cas illustré figure 3b. Le mode localisé correspond à une onde stationnaire dans toutes les directions présentant des extrema My (ou ventres) et des zéros (ou noeuds) de champ électrique E fixes, c'est à dire non mobiles dans l'espace.

A un instant t arbitraire donné, deux extrema (ou ventres) successifs présentent un signe opposé, et nous désignerons par Mv- les ventres correspondants aux périodes négatives et par Mv+ les ventres correspondants aux périodes positives.

Si l'on fait abstraction du réseau CG, la position latérale des extrema et des zéro de l'onde stationnaire dans la cavité est déterminée par l'épaisseur optique latérale DL de la cavité résonante entre les structures HR latérales Le réseau CG présente une variation périodique de la permittivité diélectrique E. Dans la partie centrale PC, il existe donc des zones 30 pour 10 lesquelles la permittivité diélectrique E est maximale, correspondant à des maxima d'indice. Pour obtenir un couplage maximal, il convient d'agencer le réseau de couplage CG de sorte que les maxima 30 de permittivité diélectrique coïncident avec des extrema de champ électriques de même signe comme 15 illustré figure 3a pour les extrema Mv+ et la figure 3b pour les extrema Mv-. Cela permet de maximiser l'intégrale de recouvrement entre l'onde mode/ stationnaire 01 (E ) et le réseau de couplage CG (te), ce qui maximise le coefficient de couplage K défini par l'équation (1). Au contraire dans le document JP2012098513, la valeur du coefficient de 20 couplage K est contrôlée et limitée à une faible valeur en éloignant le réseau de couplage du mode guidé, soit en diminuant dans l'intégrale de la relation 1 le recouvrement entre Emode et DE. La figure 4 illustre le cas pour lequel les zones 30 de maxima d'indice du 25 réseau CG sont positionnées sur les noeuds de champ du mode stationnaire. Dans ce cas l'intégrale de recouvrement entre Emode et .8,E est nulle et donc le couplage est nul : le mode localisé n'est jamais excité dans la cavité quelque soit la longueur d'onde de l'onde incidente. La structure se comporte comme si la partie centrale ne supportait aucun mode stationnaire et ne 30 présente pas de pic résonant de transmission. Une onde de longueur d'onde de résonance À0 est rayonnée par la cavité sous forme de pertes. Cette onde rayonnée interfère avec l'onde incidente Oinc, l'onde transmise Ot et l'onde réfléchie Or par les structures à haute 35 réflectivité verticales. Le couplage réalisé par le réseau et les zones de phase est configuré pour que les interférences entre l'onde rayonnée et l'onde incidence soient constructives (onde dans le sens propagatif) et pour que les interférences entre l'onde rayonnée et l'onde réfléchie soient destructives (onde dans un sens contrapropagatif). L'onde transmise Ot 5 issue de ces interférences constructives est ainsi maximisée à la longueur d'onde de résonance ÀO, tandis que les autres longueurs d'onde de la bande spectrale AÀ sont réfléchies par les structures à haute réflectivité (HR) verticales HRV1 et HRV2. Ainsi le couplage est à l'origine de l'excitation du mode stationnaire par l'onde incidente et est également responsable des 10 « pertes » qui assurent la réémission cohérente de ce mode stationnaire. Du fait de la combinaison des phénomènes de résonance et d'interférences le filtre selon l'invention présente une grande finesse spectrale, et une grande tolérance angulaire supérieure aux filtres interférentiels et aux filtres à 15 cavité résonante par réflexion. En outre, la valeur de la longueur d'onde de résonance et la finesse de celle-ci sont indépendantes de l'angle d'incidence sur le filtre de l'onde à filtrer. La transmission est maximale à l'incidence normale. Cette grande tolérance angulaire combinée au fonctionnement transmissif 20 rend l'utilisation du filtre compatible avec un faisceau focalisé, et donc avec l'insertion du filtre selon l'invention dans le plan focal d'un système optique d'imagerie ou de détection, ou directement devant un système de détection. Le filtre est également réalisable sur de petites surfaces et présente une géométrie planaire, permettant l'agencement d'une pluralité de filtres à 25 différentes longueurs d'onde de résonance en matrice 2D. En outre le filtre comprend peu de couches (voir exemples plus loin) comparé aux filtres interférentiels de même finesse spectrale, ce qui permet une fabrication plus simple, et un filtre plus fiable et plus robuste. 30 Selon une première variante illustrée figure 5, la variation de permittivité DE(x) du réseau de couplage CG est unidimensionnelle, par exemple selon X. La cavité résonante réalise ici un confinement bidimensionnel (selon les directions x et z).

Selon une deuxième variante illustrée figure 6, la variation de permittivité diélectrique du réseau de couplage CG est bidimensionnelle Ac(x,y), le réseau présentant par exemple une structure de plots 40, typiquement carrés ou hexagonaux. Un avantage des structures bidimensionnelles est leur insensibilité à la polarisation de l'onde incidente. En variante, la variation de permittivité peut bien entendu être tridimensionnelle avec Ac(x,y,z). Egalement figure 6 est illustrée une troisième variante dans laquelle le filtre comprend en outre : -une troisième zone latérale de phase ZL3 et une troisième structure à haute 10 réflectivité latérale HRL3 associée -une quatrième zone latérale de phase ZL4 et une quatrième structure à haute réflectivité latérale HRL4 associée. Le filtre forme ici une cavité réalisant un confinement tridimensionnel. Le réseau de couplage CG présente alors deux directions de périodicités 15 permettant d'exciter le même mode guidé indépendamment de la polarisation de l'onde incidente, selon ces deux directions de périodicité. Les structures à haute réflectivité latérale permettent de confiner horizontalement le mode de cavité selon ces deux directions, le confinement verticale étant assuré par les zones HRV1 et HRV2. 20 Cette géométrie est particulièrement adaptée pour un agencement d'une pluralité de filtres selon une structure matricielle, partageant les mêmes structures HR verticales et latérales, et un même substrat. Ainsi selon un mode de réalisation, le filtre selon l'invention comprend une pluralité de parties centrales et de structures hautes réflectivité latérales 25 associées, agencées sur un même substrat, chaque partie centrale présentant une longueur d'onde de résonance choisie, en faisant varier pour chaque filtre le pas du réseau de couplage. Les différentes longueurs d'onde de résonance choisies sont bien entendu comprises dans la bande spectrale de réflectivité de la structure HR verticale AÀ. La variation du pas est par 30 exemple discrète. Selon un autre mode de réalisation, le filtre est rendu accordable en longueur d'onde en réalisant un réseau de pas continument variable, c'est-à-dire que le réseau de couplage présente une variation continue de la périodicité de la permittivité diélectrique selon une dimension, X ou Y, par exemple un réseau 35 en forme d'éventail pour une structure unidimensionnelle. Le changement de longueur d'onde de filtrage/résonance est obtenu par translation du filtre par rapport à l'onde incidente. Selon une variante illustrée figure 7 les plots 50 ont une forme rectangulaire.

Cette structure permet à la cavité de résonner selon deux longueurs d'ondes de résonance À10, À20. Les deux directions de périodicité permettent d'exciter chacune un mode selon sa direction, les deux modes étant à des longueurs d'onde différentes. Chaque direction de cavité est alors ajustée indépendamment pour résonner sur une longueur d'onde précise.

Selon un mode de réalisation illustré figure 8, au moins une structure HR verticale, les deux (HRV1 et HRV2) sur la figure 8, comprend un empilement de couches diélectriques d'épaisseur optique sensiblement égale à un quart de la longueur d'onde de résonance, soit À0/4. L'empilement est constitué d'une alternance de couches d'indice différent na, nb.... Cette alternance constitue une structure haute réflectivité pour toute onde incidente de longueur d'onde dans la gamme AÀ autour de À0 et incidente selon un angle d'incidence proche de la normale. Les zones de phases verticales ZV1, ZV2 sont par exemple des couches d'une épaisseur optimisée constituées du matériau d'indice voisin de nb . La partie centrale en dehors des zones de phase est constituée d'une structure tri couche Ec. Le réseau de couplage CG formé sur un substrat présentant un indice ricG et est disposé entre deux couches Cl et C2 de même indice nPC.

Pour que le mode localisé soit confiné dans la partie centrale, cette partie centrale doit réaliser un guide d'onde quand elle est insérée à l'intérieur de l'empilement. Une solution pour cela est que ncG et npc soient supérieurs à tous les indices présents dans l'empilement. Une autre solution est que nPC OU nec soit supérieur au plus faible indice présent dans l'empilement et que l'épaisseur de cette couche de fort indice soit supérieure aux autres épaisseurs des couches présentes dans l'empilement. Selon un mode de réalisation également illustré figure 8, au moins une structure HR latérale (les deux structures HRL1 et HRL2 sur la figure 8), 35 comprend un réseau latéral présentant une deuxième variation périodique de permittivité diélectrique sensiblement égale à la moitié de la première variation périodique de permittivité diélectrique, c'est-à-dire que le pas du réseau latéral est sensiblement égal à A/2. En effet préférentiellement, le réseau latéral est un réseau de premier ordre pour le mode localisé à la longueur d'onde MI La réalisation des structures HR latérales sous forme de réseaux identiques au pas près au réseau central de couplage présente l'avantage de réaliser la partie centrale et les structures HR latérales en une seule étape de fabrication planaire. Les zones de phase latérales sont des zones d'indice constant, par exemple 1 0 égal à l'indice npc ou ncG, l'épaisseur de ces zones selon la direction de la variation de permittivité du réseau central est déterminée pour optimiser le couplage, comme explicité précédemment. Selon un autre mode de réalisation, au moins une structure à haute 15 réflectivité latérale comprend une face polie comprenant un traitement haute réflectivité. La figure 9 illustre une autre variante du filtre selon l'invention, selon laquelle au moins une structure à haute réflectivité verticale (les deux structures 20 HRV1, HRV2 sur la figure 9) comprend une structure périodique présentant une période Ô inférieure à la longueur d'onde de résonance MI Ces composants dénommés réseaux sub-longueur d'onde sont connus, l'onde incidente sur ces structures se décompose en plusieurs modes de Bloch interférant destructivement selon la direction de propagation d'incidence et 25 permettant ainsi de réaliser une structure à haute réflectivité sur une grande gamme spectrale et avec une grande tolérance angulaire. La figure 10 schématise une variante préférée de filtre selon l'invention présentant un plan de symétrie Ps. 30 Un filtre présentant cette symétrie peut être fabriqué à partir de deux parties identiques réalisées chacune sur un substrat qui sont ensuite raccordées, par exemple par contre-collage de substrats. Les deux demi structures peuvent être ainsi fabriquées simultanément sur un même substrat qui est par la suite découpé en deux, les deux demi structures étant par la suite 35 contre-collées face à face. Ceci assure une parfaite symétrie, notamment une parfaite correspondance des multicouches HRV1 et HRV2, des zones de phase, à la fois en épaisseur et en composition ainsi qu'un positionnement du réseau de couplage au centre de l'empilement vertical.

Le tableau I ci-dessous illustre un exemple d'empilement pour un filtre selon l'invention de longueur d'onde de résonance À0 = 816 nm à base d'un empilement verre (indice 1.47) / Nitrure (indice 2.04) tel que schématisé figure 10.

Matériau Epaisseur (nm) Dénomination Fonction Verre - Substrat Nitrure 104 Lame 1/4 d'onde Empilement HRV1 Silice 144 Lame 1/4 d'onde Nitrure 104 Lame 1/4 d'onde Silice 144 Lame 1/4 d'onde Nitrure 120 ZV1 Partie centrale PC comprenant le réseau de couplage et d'épaisseur optique totale 3/4 d'onde pour réaliser un empilement HR. Silice 100 Couche réseau Nitrure 120 ZV2 Silice 144 Lame 1/4 d'onde Empilement HRV2 Nitrure 104 Lame 1/4 d'onde Silice 144 Lame 1/4 d'onde Nitrure 104 Lame 1/4 d'onde Verre infini Substrat Tableau I Les zones de phase verticales ZV1 et ZV2 sont constituées d'une couche de 15 Nitrure d'épaisseur 120 nm. La couche centrale Ec est une couche de silice, constituée selon au moins une direction X et/ou Y d'une alternance de silice (indice 1.54) et d'air (indice 1) d'épaisseur identique (taux de remplissage de 50%) de manière à former le réseau central et les réseaux latéraux, tel qu'illustré figure 11a (vue en 20 coupe) et figure 11 b (vue de dessus dans le plan XY des réseaux). La période du réseau A est égale à 485 nm. On a bien : 2 x 120 nm x 2.04 + 100 nm x 1.22 = 612 nm = 3 x 1/4 x 816 nm Avec 1.22 indice moyen de la couche réseau Silice/air. 25 Les zones de phase ZL1 et ZL2 séparent le réseau central des réseaux latéraux et sont constituées du même matériau qu'un des matériaux constituant les réseaux ici la silice. Leur épaisseur est égale à 0.13.A (A période du réseau CG) soit 63.05 nm. L'épaisseur optique de ces zones, optimisée pour obtenir un calage des maxima de champ de même signe sur les zones de forte permittivité du réseau CG comme explicité plus haut, est fonction de l'épaisseur optique de la couche réseau et des zones de phase verticales.

La figure 12 illustre l'enveloppe du champ électrique 90 de l'onde couplée dans l'empilement vertical selon Z du filtre, correspondant au mode localisé 01 de longueur d'onde À0 = 816 nm. La courbe 91 illustre la répartition d'indice de l'empilement vertical du filtre selon Z. Le champ est localisé dans la partie centrale PC.

La figure 13 illustre les performances spectrales du filtre du tableau I, l'intensité transmise T(À) de l'onde transmise Ot sur la figure 13a et l'intensité réfléchie R(À) de l'onde réfléchie Or sur la figure 13b, lorsqu'il est illuminé par une onde incidente focalisée sur le filtre avec un cône d'incidence de +/- 1.55°. On constate que le filtre présente une très haute sélectivité spectrale en transmission, malgré une onde incidente non plane, avec une largeur spectrale de résonance de : ôÀ/ ÀO = 0.04 % (0.33 nm à 816 nm). La très faible valeur de ôÀ est due à l'effet résonant de la cavité. Le couplage optique avec celle-ci ajoute à la réflectivité une résonance de Fano dont la largeur spectrale varie proportionnellement avec le facteur de couplage. La réalisation d'un filtre transmissif de même largeur spectrale est impossible selon un dessin de type CRIGF « Cavity-Resonator-Integrated Guided-moderesonance Filter ». La réalisation selon un dessin de type GMRF « Guided Mode Resonant Filter » est possible mais ledit filtre aurait alors une tolérance angulaire bien en dessous de 0.5°. Enfin, l'obtentbn de la même finesse spectrale selon un dessin de type GMRF demande la réalisation d'un empilement d'un plus grand nombre de couches, la finesse de la résonance de l'invention étant augmentée par le confinement optique tridimensionnel du mode localisé.

Une large bande AÀ autour de ÀO, supérieure à +/- 15 nm est réfléchie par la structure HR verticale, la partie centrale PC étant configurée pour faire partie intégrante de la structure HR verticale hors résonance.

La longueur d'onde de résonance Ào du composant filtre est accordable en changeant la période des réseaux considérés, pour une structure verticale HR donnée. Par exemple l'accordabilité en longueur d'onde est obtenue par une modification de la partie centrale : modification mécanique de la taille des zones de phase ZL1,ZL2,ZV1,ZV2 par exemple, ou modification de la période des réseaux par exemple par contraction/dilatation, typiquement thermique, des réseaux, ou bien modification de l'indice effectif du mode localisé (par effet électro-optique sur l'indice de la couche réseau par exemple).

La longueur d'onde de résonance Ào et la largeur spectrale de résonance E'À sont insensibles à l'angle d'incidence de l'onde incidente 01. La largeur spectrale de résonance du filtre ,5À est ajustable en modifiant le couplage K entre le réseau, l'onde incidente et le mode localisé, c'est-à-dire en modifiant par exemple le contraste d'indice entre les deux matériaux constituants les dents et le creux du réseau de couplage ou le facteur de remplissage du réseau (c'est-à-dire le rapport des longueurs des dents et des creux), ou encore le positionnement du réseau CG par rapport aux extrema du mode localisé. Lorsque l'angle d'incidence n'est pas normal au filtre, seule la transmission maximale est impactée : Tmax=T(Ào) diminue et donc Rmin=R(Ào) augmente. Selon une autre variante, le réseau de couplage CG et les réseaux latéraux le cas échéant comprend une alternance d'un matériau fort indice et d'un milieu en phase gazeuse ou liquide (indice typiquement compris entre 1 et 1.7 ), le milieu liquide ou gazeux étant apte à circuler dans le filtre. La circulation du liquide ou du gaz permet de rendre l'indice variable (par modification du type ou de la composition du liquide/gaz circulant par exemple). La variation de l'indice du liquide/gaz permet alors une accordabilité en longueur d'onde de résonance du filtre. Ce type de filtre trouve à s'appliquer comme filtre accordable, ou pour sonder l'indice optique du liquide/gaz et ainsi sa composition. Enfin, l'absorption du liquide/gaz à la longueur d'onde de résonance est susceptible de modifier de manière conséquente la réponse optique du composant. Le composant filtre selon l'invention peut être utilisé dans ce cas comme instrument de mesure de l'absorption du milieu. Selon un autre aspect, l'invention concerne un photo détecteur comprenant une pluralité de détecteurs élémentaires et comprenant une pluralité de filtres selon l'invention positionnés en amont des détecteurs élémentaires, un filtre étant associé à un détecteur élémentaire et présentant une longueur d'onde de résonance choisie dans une bande de détection du détecteur élémentaire associé. Le photo détecteur selon l'invention trouve à s'appliquer dans des systèmes de spectroscopie ou d'imagerie hyperspectrale.15

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Filtre (10) en transmission à cavité résonante sélectif en longueur d'onde comprenant : -une partie centrale (PC) planaire selon un plan XY horizontal comprenant : -un réseau de couplage (CG) présentant une première variation 5 périodique de permittivité diélectrique, -une première et une deuxième zones latérales de phase (ZL1, ZL2) dépourvues de permittivité périodique, et disposées de part et d'autre du réseau de couplage (CG) et adjacentes à celui-ci, -une première et une deuxième zones verticales de phase (ZV1, ZV2) 10 dépourvues de permittivité périodique, et disposées de part et d'autre du réseau de couplage (CG) et adjacentes à celui-ci, selon un axe Z perpendiculaire au plan XY, - le réseau de couplage (CG) et les zones de phases (ZL1, ZL2, ZV1, ZV2) étant configurés pour assurer un couplage d'une onde incidente (Oinc) 15 de longueur d'onde de résonance (À0) se propageant dans le filtre avec un mode localisé (Où de même longueur d'onde (À0), -une première et une deuxième structures à haute réflectivité- latérales (HRL1, HRL2) disposées de part et d'autre de la partie centrale (PC), adjacentes respectivement aux première et deuxième zones de phase 20 latérales, pour confiner latéralement le mode localisé (01), -une première et une deuxième structures à haute réflectivité verticales (HRV1, HRV2) disposées de part et d'autre de la partie centrale (PC), adjacentes respectivement aux première et deuxième zones de phase verticales, pour confiner verticalement le mode localisé (01) et pour réfléchir 25 une onde incidente (Oinc) présentant des longueurs d'onde appartenant à une bande spectrale de réflexion (AIS) comprenant la longueur d'onde de résonnance, ledit filtre formant une cavité résonnante pour le mode localisé (01), apte à rayonner une onde de longueur d'onde de résonance (À0) qui interfère 30 avec les ondes incidente et réfléchie de manière constructive dans un sens propagatif et de manière destructive dans un sens contrapropagatif, de sorte que l'onde transmise (Ot) à la longueur d'onde de résonance (À0) est maximisée.
2. 2. Filtre selon la revendication 1 dans lequel le mode localisé (01) correspond à une onde stationnaire présentant des extrema (Mv) et des zéros de champ électrique, deux extrema successifs présentant un signe opposé, et dans lequel le réseau de couplage (CG) est agencé de sorte que les maxima (30) de permittivité diélectrique coïncident avec des extrema de même signe (Mv-, Mv+) de champ électrique.
3. 3. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel une épaisseur optique de la partie centrale (PC) selon la direction verticale (Z) 10 correspond à un multiple entier impair du quart de la longueur d'onde de résonance (À0).
4. 4. Filtre selon l'une de revendications précédentes comprenant en outre une troisième et une quatrième (ZL3, ZL4) zones latérales de phase et une 15 troisième et une quatrième ( HRL3, HRL4) structures à haute réflectivité latérales, et un réseau de couplage (CG) présentant une variation périodique de permittivité diélectrique bidimensionnelle, ledit filtre formant une cavité résonante tridimensionnelle. 20
5. 5. Filtre selon l'une des revendications précédentes présentant un plan de symétrie (Ps).
6. 6. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une structure à haute réflectivité verticale (HRV1, HRV2) comprend un 25 empilement de couches diélectriques d'épaisseur optique sensiblement égale à un quart de la longueur d'onde de résonance.
7. 7. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une structure à haute réflectivité verticale (HRV1, HRV2) comprend une 30 structure périodique présentant une période inférieure à la longueur d'onde de résonance (À0).
8. 8. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une structure à haute réflectivité latérale comprend un réseau latéral 35 présentant une deuxième variation périodique de permittivité diélectriquesensiblement égale à la moitié de la première variation périodique de permittivité diélectrique.
9. 9. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins 5 une structure à haute réflectivité latérale comprend une face polie comprenant un traitement haute réflectivité.
10. 10. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel le réseau de couplage comprend une alternance d'un matériau fort indice et d'un milieu 10 en phase gazeuse ou liquide, ledit milieu étant apte à circuler dans le filtre.
11. 11. Filtre selon l'une des revendications précédentes comprenant une pluralité de parties centrales et de structures haute réflectivité latérales associées, agencées sur un même substrat, chaque partie centrale 15 présentant une longueur d'onde de résonance choisie.
12. 12. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel le réseau de couplage présente une variation continue de la périodicité de la permittivité diélectrique selon une dimension X ou Y. 20
13. 13. Photo détecteur comprenant une pluralité de détecteurs élémentaires et comprenant une pluralité de filtres selon l'une des revendications précédentes positionnés en amont des détecteurs élémentaires, un filtre étant associé à un détecteur élémentaire et présentant une longueur d'onde 25 de résonance choisie dans une bande de détection du détecteur élémentaire associé.