EP2232311A1 - Dispositif photonique de filtrage spatial a bande passante angulaire etroite - Google Patents

Dispositif photonique de filtrage spatial a bande passante angulaire etroite

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EP2232311A1
EP2232311A1 EP08858794A EP08858794A EP2232311A1 EP 2232311 A1 EP2232311 A1 EP 2232311A1 EP 08858794 A EP08858794 A EP 08858794A EP 08858794 A EP08858794 A EP 08858794A EP 2232311 A1 EP2232311 A1 EP 2232311A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
cylindrical elements
cross
cylindrical
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08858794A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Michel Sajer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2232311A1 publication Critical patent/EP2232311A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/46—Systems using spatial filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to a device for spatial filtering of electromagnetic waves with narrow angular bandwidth.
  • the filtering device of the invention is usable from the range of radar frequencies (typically frequencies above IGHz) to the frequencies of the optical domain.
  • the spatial filtering device of the invention can be used in a large number of applications that can be grouped, for simplification purposes, into two main categories: a first category concerns devices intended to purify light beams of spurious spatial frequencies and, thus, to improve the quality of signal detection (for example, improving the quality of images in the field of imaging),
  • the second category relates to filtering devices used as screens (discrete radome, anti-return filter, etc.).
  • the invention relates to a spatial filtering device having a narrow angular bandwidth, characterized in that it comprises at least one photonic structure consisting of a set of cylindrical elements distributed in the form of successive stacked layers.
  • the cylindrical elements being constituted by a dielectric constant dielectric constant ⁇ i very substantially different from the dielectric constant relative to the dielectric medium 2, the cylindrical elements of a same layer having an axis parallel to an axis Oy and being aligned with a spatial period Tx along an axis Ox, the axes Oz, Oy and Ox defining a direct trihedron, all the cylindrical elements having a cross section of substantially identical surface in the same section plane perpendicular to the right Oy axis, with the exception of the cylindrical elements of at least one substitution layer which contains substitution cylindrical elements which have, in the plane of cross-section, a substantially identical surface cross section substantially smaller than the surface of the sections transversal cylindrical elements of the layers that surround it.
  • the substitution elements if ⁇ i is greater than ⁇ 2 , the substitution elements have a relative dielectric constant ⁇ 3 which satisfies the inequality:
  • Ci is the proportion of a cross section of a cylindrical member centered in a first unit cell section Tx x Tz relative to the total area of the first pattern
  • C3 is the proportion of a cross-section of a cylindrical substitution element centered in a second elementary pattern of section Tx x Tz with respect to the total surface of the second pattern.
  • the substitution elements if ⁇ i is smaller than ⁇ 2 , the substitution elements have a relative dielectric constant ⁇ 3 which satisfies the inequality:
  • Ci is the proportion of a cross section of a cylindrical element centered in a first elementary pattern of section Tx x Tz with respect to the total area of the first pattern
  • C3 is the proportion of a cross section of a cylindrical element of substitution centered in a second elementary pattern of section Tx x Tz with respect to the total surface of the second pattern.
  • the material constituting the cylindrical substitution elements is identical to the material constituting the cylindrical elements.
  • N sets of cylindrical elements are stacked along the axis oz, two neighboring sets being separated by a dielectric layer.
  • the thickness d 4 of the dielectric layer separating two neighboring sets satisfies the equation: where: - ⁇ 4 is the wavelength of the wave propagating in the dielectric layer, n 4 is the refractive index of the dielectric layer, i p is a particular incidence (ie a particular angle of incidence ) around which is defines a forbidden angular band for a photonic structure consisting exclusively of cylindrical elements distributed in a dielectric medium or the vacuum according to the photonic structure of claim 1,
  • K is an integer greater than or equal to 1.
  • the cylindrical elements and the cylindrical substitution elements have a circular cross section.
  • the periods Tz and Tx are equal.
  • the periods Tz and Tx are equal to 0.4 times the wavelength of the wave in the dielectric medium.
  • the radius of the circular cross section of the cylindrical substitution elements is substantially equal to 0.05 Tx and the radius of the cylindrical elements is substantially equal to 0.15 Tx.
  • the present invention makes it possible to obtain spatial filtering with a very small angular width using a plane multilayer structure whose total thickness is, for example, of the order of a few tens of wavelengths.
  • This filtering does not require any vacuum since there is no need to ensure focusing and rests on a simple alignment by relative to the direction of propagation of the wave to be filtered.
  • FIG. 1 represents a first example of a forbidden angular band photonic structure used for producing a spatial filtering device according to the invention
  • FIGS. 2A and 2B respectively represent a second and a third example of a forbidden angular band photonic structure used for producing a spatial filtering device according to the invention
  • FIG. 3 represents a first example of spatial filtering device of the invention that uses the structure of FIG. 1;
  • FIG. 4 represents a second example of spatial filtering device of the invention that uses the structure of FIG. 1;
  • FIG. 5 represents a third example of spatial filtering device of the invention that uses the structure of FIG. 1;
  • FIG. 6 represents the transmission coefficient of the spatial filtering device of the invention represented in FIG. 3;
  • FIG. 7 represents the respective transmission coefficients of the filtering devices space of the invention shown in Figures 4 and 5;
  • FIG. 8 represents a zoomed view of the transmission coefficients of the spatial filtering devices of the invention represented in FIGS. 4, 5 and 6.
  • FIG. 1 represents an example of a forbidden angular band photonic structure that is used to produce a spatial filtering device according to the invention.
  • the photonic structure with a forbidden angular band is produced by a periodic juxtaposition of identical dielectric elements 1 placed in a medium 2.
  • the medium 2 is a dielectric medium or vacuum.
  • the elements 1 have, for example, a cylindrical shape and are positioned parallel to each other.
  • the cylindrical elements 1 are distributed in successive layers parallel to a plane xOy and stacked, with a period Tz, along an axis Oz perpendicular to the plane xOy.
  • the xyz mark forms a direct trihedron.
  • the cylindrical elements 1 of the same layer have a spatial period Tx along the axis Ox.
  • the axes of the cylindrical elements 1 are parallel to the axis Oy.
  • the cylinders are, for example, of circular cross section, any other cross sectional shape that can also be envisaged (square, rectangular, polygonal, etc.).
  • the spatial periods Tx and Tz are less than the wavelength ⁇ of the electromagnetic wave propagating in the dielectric medium 2 in order to avoid the excitation of propagation modes (Bloch modes) other than the fundamental mode.
  • the structure has a forbidden angular incidence band.
  • the "forbidden angular incidence band" is, by definition, an angular aperture such that any incident wave which arrives on the structure with an angle of incidence included in this angular aperture can not propagate in the structure.
  • the angle of incidence of a wave on a plane structure is, by definition, the angle that the wave vector of the wave with the normal to the plan of the structure.
  • the forbidden angular band is obtained for an electromagnetic wave polarized in the xOz plane and, for a ratio ⁇ i / ⁇ 2 substantially greater than 2.5, the forbidden angular band is obtained for a polarized wave according to the Oy axis. Any plane electromagnetic wave having an incidence included in the forbidden angular band is reflected and can not propagate. A stack of ten layers of elements 1 in the propagation direction Oz is sufficient to create high-performance forbidden angular bands for a wave polarized along the axis Oy.
  • the relative permittivity of the elements 1 is equal to 8.41 and the periods Tx and Tz are equal to 0.4 times the wavelength ⁇ of a wave that is spreading.
  • the radius of this circle is equal to 0.15 times the periods Tx and Tz.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate these other configurations.
  • Figures 2A and 2B are cross-sectional views. The elements 1 of two adjacent layers are not aligned along the axis Oz.
  • FIG. 2A three layers of successive stacked elements 1 form a pattern whose elementary cell in the xOz plane is a centered square mesh and, in FIG. 2B, three layers of successive elements 1 draw a pattern of which an elementary mesh in the plane xOz is a hexagonal mesh.
  • FIG. 3 represents a first example of a spatial filtering device elementary structure of the invention that uses the structure of FIG. 1.
  • the spatial filtering device of the invention is obtained by substituting at least one layer of cylindrical elements 1 with at least one layer of substitution cylindrical elements 3.
  • the cylindrical substitution elements 3 have a cross section in the xOz plane of surface substantially smaller than the cross-sectional area of the cylindrical elements 1.
  • FIG. 2 illustrates the nonlimiting case where only one layer of elements 1 is replaced by a single layer of substitution elements 3 located in the center of the structure.
  • N layers of substitution elements 3 replace N layers of elements 1, the layers of substitution elements may or may not be placed in the center of the device.
  • the substitution elements 3 have, for example, a circular cross section, any other cross-sectional shape can also be envisaged (square, rectangular, polygonal, etc.).
  • the substitution elements 3 are formed in a dielectric material which may be identical to or different from the material which forms the elements 1.
  • the presence of the substitution cylindrical elements 3 in the forbidden angular band structure leads to the "piercing" of the forbidden angular band .
  • "piercing" of the forbidden angular band it is to be understood that an electromagnetic wave whose angle of incidence is included in the forbidden angular band is able to propagate in the structure.
  • the electromagnetic wave propagating in the structure propagates only in a very small angular range around a particular incidence.
  • the substitution elements 3 are cylinders of circular cross section whose radius is, for example, equal to 0.05 Tx.
  • ⁇ m C 3 ⁇ 3 + C 2 ⁇ 2
  • C 3 is the proportion of the cross-section of a substitution element 3 centered in an elementary pattern of section Tx ⁇ Tz with respect to the total surface Tx ⁇ Tz of the pattern
  • the width of the transmission window around this particular incidence being of the order of a few hundredths of radians.
  • the width of the transmission window is a few hundredths of radians around a particular incidence substantially equal to 42 ° (ie the angle of incidence of the wave on the device photonic is substantially equal to 42 °).
  • FIG. 4 represents a second example of spatial filtering device of the invention that uses the structure of FIG. 1.
  • the device shown in Figure 4 consists of two devices identical to that shown in Figure 3.
  • the two devices are stacked along the axis Oz.
  • a dielectric layer 4 separates the two devices.
  • the cylindrical elements aligned along the axis Oz of a first device are preferably aligned with the cylindrical elements aligned along the axis Oz of the second device.
  • a thickness of layer 4 greater than or equal to 2Tx it is not necessary that the alignments along the axis Oz of the cylindrical elements of the two devices coincide.
  • the thickness of layer 4 satisfies the following equation: where: ⁇ 4 is the wavelength of the wave propagating in layer 4, - n 4 is the refractive index of layer 4, i p is the particular incidence (ie the angle of particular incidence) around which the forbidden angular band is defined for the forbidden angular band photonic structure from which the photonic structure of the invention is defined, K is an integer greater than or equal to 1.
  • the dielectric which constitutes the layer 4 can be any since the equation above is correctly verified. Preferably, it is the dielectric used to make the medium 2 which is also used to make the layer 4. If the medium 2 is the vacuum, the layer 4 can therefore also be the vacuum.
  • the device shown in Figure 5 consists of four devices identical to that shown in Figure 3. The four devices are superimposed, a dielectric layer 4 between two neighboring devices. The conditions mentioned above for the device with two stacked devices, the alignment of the cylindrical elements along the axis Oz, the thickness and the nature of the dielectric which constitutes the layer 4, are also performed for the device with four stacked devices. The performance of the four-filter structure is significantly improved over the performance of single-device or dual-device structures.
  • the transmission coefficient of N stacked elementary filtering devices varies as the power N th of the transmission coefficient of an elementary filtering device.
  • FIG. 6 represents the transmission coefficient t1 of the filtering device of the invention shown in FIG. 3 as a function of the angle of incidence of the electromagnetic wave
  • FIG. 7 represents the transmission coefficients t2 and t3 of the filtering the invention shown respectively in Figures 4 and 5.
  • FIG. 8 details FIGS. 6 and 7 about the maximum value of the transmission coefficients. It is clear that a four-device structure has better performance than a two-device structure whose performance is itself better than the performance of a single device structure.

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Abstract

L' invention concerne un dispositif de filtrage spatial à bande passante angulaire étroite, caractérisé en ce qu' il comprend une structure photonique constituée d'éléments cylindriques (1, 3) répartis sous forme de couches successives empilées selon un axe Oz dans un milieu diélectrique ou dans le vide (2), tous les éléments cylindriques étant identiques à l'exception des éléments cylindriques d'au moins une couche constituée d'éléments cylindriques (3) ayant une surface de section transversale sensiblement inférieure à la section transversale des éléments cylindriques des couches qui l'entourent. Application, entre autres, au filtrage des signaux lumineux et à la réalisation d'écrans (radome discret, filtre anti-retour, etc.).

Description

DISPOSITIF PHOTONIQUE DE FILTRAGE SPATIAL A BANDE PASSANTE ANGULAIRE ETROITE
DESCRIPTION
Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne un dispositif de filtrage spatial d'ondes électromagnétiques à bande passante angulaire étroite. Le dispositif de filtrage de l'invention est utilisable de la gamme des fréquences radar (typiquement, les fréquences supérieures à IGHz) aux fréquences du domaine optique.
Le dispositif de filtrage spatial de l'invention est utilisable dans de très nombreuses applications qui peuvent être regroupées, par simplification, en deux catégories principales: - une première catégorie concerne les dispositifs destinés à épurer les faisceaux lumineux de fréquences spatiales parasites et, ainsi, à améliorer la qualité de détection des signaux (par exemple, amélioration de la qualité des images dans le domaine de l'imagerie),
- la seconde catégorie concerne les dispositifs de filtrages utilisés en tant qu'écrans (radome discret, filtre anti-retour, etc.) .
Divers dispositifs de filtrage spatial sont connus de l'art antérieur. Dans le domaine optique, le plus commun consiste à former à l'aide d'une lentille le spectre spatial d'un objet puis à filtrer ce dernier à l'aide d'un diaphragme pour ne conserver que certaines fréquences spatiales. La largeur angulaire du filtrage autour d'une fréquence spatiale donnée varie comme le rapport de l'ouverture du diaphragme à la distance focale de la lentille. L'obtention de faibles largeurs angulaires de filtrage implique l'utilisation de diaphragmes peu ouverts, associés à des lentilles de fortes focales : il en résulte un dispositif encombrant difficile à aligner. Dans le cas du filtrage de faisceaux laser intenses, il convient en outre de placer le dispositif précédent sous vide de façon à éviter l'ionisation de l'air au voisinage du diaphragme, l'intensité lumineuse dans cette zone étant amplifiée par un facteur de l'ordre du rapport de la section du faisceau laser avant focalisation à celle du diaphragme . Les dispositifs de filtrage spatial de l'art antérieur sont en conséquence des dispositifs relativement encombrants et difficiles à régler. L'invention ne présente pas ces inconvénients. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un dispositif de filtrage spatial à bande passante angulaire étroite caractérisé en ce qu' il comprend au moins une structure photonique constituée d'un ensemble d'éléments cylindriques répartis sous forme de couches successives empilées avec une période spatiale Tz selon un axe Oz dans un milieu diélectrique ou dans le vide, les éléments cylindriques étant constitués d'un diélectrique de constante diélectrique relative εi très sensiblement différente de la constante diélectrique relative £2 du milieu diélectrique, les éléments cylindriques d'une même couche ayant un axe parallèle à un axe Oy et étant alignés avec une période spatiale Tx selon un axe Ox, les axes Oz, Oy et Ox définissant un trièdre direct, tous les éléments cylindriques présentant une section transversale de surface sensiblement identique dans un même plan de section droite perpendiculaire à l'axe Oy, à l'exception des éléments cylindriques d' au moins une couche de substitution qui contient des éléments cylindriques de substitution qui présentent, dans le plan de section droite, une section transversale de surface sensiblement identique sensiblement inférieure à la surface des sections transversales des éléments cylindriques des couches qui l'entourent.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, si εi est supérieur à ε2, les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative ε3 qui vérifie l'inégalité :
1/5 Ci εi ≤ C3 ε3 < 1/2 C1 εlr où Ci est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et C3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du deuxième motif.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, si εi est inférieur à ε2, les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative ε3 qui vérifie l'inégalité :
1/5 ci/εi ≤ c3/ε3 < 1/2 Ci/εi, où Ci est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et C3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du deuxième motif.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le matériau qui constitue les éléments cylindriques de substitution est identique au matériau qui constitue les éléments cylindriques .
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, N ensembles d'éléments cylindriques sont empilés selon l'axe oz, deux ensembles voisins étant séparés par une couche diélectrique .
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, l'épaisseur d4 de la couche diélectrique qui sépare deux ensembles voisins vérifie l'équation : où : - λ4 est la longueur d'onde de l'onde qui se propage dans la couche diélectrique, n4 est l'indice de réfraction de la couche diélectrique, ip est une incidence particulière (i.e. un angle d'incidence particulier) autour de laquelle est définie une bande angulaire interdite pour une structure photonique constituée exclusivement d'éléments cylindriques répartis dans un milieu diélectrique ou le vide conformément à la structure photonique de la revendication 1,
K est un nombre entier supérieur ou égal à 1.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les éléments cylindriques et les éléments cylindriques de substitution ont une section transversale circulaire.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les périodes Tz et Tx sont égales.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les périodes Tz et Tx sont égales à 0,4 fois la longueur d'onde de l'onde dans le milieu diélectrique.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le rayon de la section transversale circulaire des éléments cylindriques de substitution est sensiblement égal 0,05 Tx et le rayon des éléments cylindriques est sensiblement égal à 0,15 Tx.
La présente invention permet d'obtenir un filtrage spatial de très faible largeur angulaire à l'aide d'une structure multicouche plane dont l'épaisseur totale est, par exemple, de l'ordre de quelques dizaines de longueurs d'onde. Ce filtrage ne requiert aucun vide puisqu'il n'y a pas à assurer de focalisation et repose sur un simple alignement par rapport à la direction de propagation de l'onde à filtrer .
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles :
- La figure 1 représente un premier exemple de structure photonique à bande angulaire interdite utilisée pour la réalisation d'un dispositif de filtrage spatial conforme à l'invention ;
- Les figures 2A et 2B représentent respectivement un deuxième et un troisième exemple de structure photonique à bande angulaire interdite utilisée pour la réalisation d'un dispositif de filtrage spatial conforme à l'invention ;
- La figure 3 représente un premier exemple de dispositif de filtrage spatial de l'invention qui utilise la structure de la figure 1 ; - La figure 4 représente un deuxième exemple de dispositif de filtrage spatial de l'invention qui utilise la structure de la figure 1 ;
- La figure 5 représente un troisième exemple de dispositif de filtrage spatial de l'invention qui utilise la structure de la figure 1 ;
- La figure 6 représente le coefficient de transmission du dispositif de filtrage spatial de l'invention représenté en figure 3 ;
- La figure 7 représente les coefficients de transmission respectifs des dispositifs de filtrage spatial de l'invention représentés en figures 4 et 5 ;
- La figure 8 représente une vue zoomée des coefficients de transmission des dispositifs de filtrage spatial de l'invention représentés en figures 4, 5 et 6.
Description détaillée de modes de mise en œuvre de 1' invention La figure 1 représente un exemple de structure photonique à bande angulaire interdite qui est utilisée pour réaliser un dispositif de filtrage spatial conforme à l'invention.
La structure photonique à bande angulaire interdite est réalisée par une juxtaposition périodique d'éléments diélectriques identiques 1 placés dans un milieu 2. Le milieu 2 est un milieu diélectrique ou le vide. Les éléments 1 ont, par exemple, une forme cylindrique et sont positionnés parallèlement les uns aux autres. Les éléments cylindriques 1 sont répartis en couches successives parallèles à un plan xOy et empilées, avec une période Tz, selon un axe Oz perpendiculaire au plan xOy. Le repère xyz forme un trièdre direct. Les éléments cylindriques 1 d'une même couche ont une période spatiale Tx selon l'axe Ox. Les axes des éléments cylindriques 1 sont parallèles à l'axe Oy. Les cylindres sont, par exemple, de section transversale circulaire, toute autre forme de section transversale pouvant également être envisagée (carrée, rectangulaire, polygonale, etc.) . Typiquement, les périodes spatiales Tx et Tz sont inférieures à la longueur d'onde λ de l'onde électromagnétique qui se propage dans le milieu diélectrique 2 afin d'éviter l'excitation de modes de propagation (modes de Bloch) autres que le mode fondamental. Pour une différence suffisamment importante entre la permittivité diélectrique relative εi des éléments cylindriques 1 et la permittivité diélectrique relative 82 du milieu 2, la structure présente une bande d'incidence angulaire interdite. La « bande d'incidence angulaire interdite » est, par définition, une ouverture angulaire telle que toute onde incidente qui arrive sur la structure avec un angle d' incidence compris dans cette ouverture angulaire ne peut pas se propager dans la structure. Comme cela est connu de l'homme de l'art, l'angle d'incidence d'une onde sur une structure plane est, par définition, l'angle que fait le vecteur d'onde de l'onde avec la normale au plan de la structure.
A titre d'exemple non limitatif, pour un rapport sensiblement supérieur à 2,5, la bande angulaire interdite est obtenue pour une onde électromagnétique polarisée dans le plan xOz et, pour un rapport εi/ε2 sensiblement supérieur à 2,5, la bande angulaire interdite est obtenue pour une onde polarisée selon l'axe Oy. Toute onde électromagnétique plane ayant une incidence comprise dans la bande angulaire interdite est réfléchie et ne peut donc pas se propager. Un empilement d'une dizaine de couches d'éléments 1 dans la direction de propagation Oz suffit à la création de bandes angulaires interdites très performantes pour une onde polarisée selon l'axe Oy. A titre d'exemple non limitatif, lorsque le milieu 2 est le vide, la permittivité relative des éléments 1 est égale à 8,41 et les périodes Tx et Tz sont égales à 0,4 fois la longueur d'onde λ d'une onde qui se propage. Dans le cas particulier où la section transversale des éléments cylindriques 1 dessine un cercle, le rayon de ce cercle est égal à 0,15 fois les périodes Tx et Tz.
Sur la figure 1, les éléments cylindriques 1 de deux couches d'éléments cylindriques successives sont alignés selon l'axe Oz. D'autres configurations sont toutefois possibles dans lesquelles les éléments cylindriques 1 de deux couches successives ne sont pas alignés selon l'axe Oz. A titre d'exemples non limitatifs, les figures 2A et 2B illustrent ces autres configurations. Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe transversale. Les éléments 1 de deux couches voisines ne sont pas alignés selon l'axe Oz. Sur la figure 2A, trois couches d'éléments 1 empilées successives dessinent un motif dont une maille élémentaire dans le plan xOz est une maille carrée centrée et, sur la figure 2B, trois couches d'éléments 1 successives dessinent un motif dont une maille élémentaire dans le plan xOz est une maille hexagonale. La figure 3 représente un premier exemple de structure élémentaire de dispositif de filtrage spatial de l'invention qui utilise la structure de la figure 1.
Le dispositif de filtrage spatial de l'invention est obtenu par substitution d'au moins une couche d'éléments cylindriques 1 par au moins une couche d'éléments cylindriques de substitution 3. Les éléments cylindriques de substitution 3 ont une section transversale dans le plan xOz de surface sensiblement inférieure à la surface de la section transversale des éléments cylindriques 1. La figure 2 illustre le cas non limitatif où une seule couche d'éléments 1 est remplacée par une seule couche d'éléments de substitution 3 située au centre de la structure. D'autres configurations sont toutefois possibles dans lesquelles N couches d'éléments de substitution 3 remplacent N couches d'éléments 1, les couches d'éléments de substitution pouvant être ou non placées au centre du dispositif. Les éléments de substitution 3 ont, par exemple, une section transversale circulaire, toute autre forme de section transversale pouvant également être envisagée (carrée, rectangulaire, polygonale, etc.) . Les éléments de substitution 3 sont formés dans un matériau diélectrique qui peut être identique ou différent du matériau qui forme les éléments 1. La présence des éléments cylindriques de substitution 3 dans la structure à bande angulaire interdite conduit au « percement » de la bande angulaire interdite. Par « percement » de la bande angulaire interdite, il faut entendre qu'une onde électromagnétique dont l'angle d'incidence est compris dans la bande angulaire interdite arrive à se propager dans la structure. L'onde électromagnétique qui se propage alors dans la structure ne se propage que dans un très faible domaine angulaire autour d'une incidence particulière. Dans le cadre de l'exemple numérique donné précédemment (Tx = Tz = 0,4 λ et rayon de la section transversale circulaire d'un élément cylindrique 1 égal à 0,15 Tx) les éléments de substitution 3 sont des cylindres de section transversale circulaire dont le rayon est, par exemple, égal à 0,05 Tx.
Pour une structure photonique donnée, l'existence et la valeur de l'incidence particulière sont conditionnées par une valeur de permittivité relative moyenne εm telle que : εm = C3 ε3 + C2 ε2 où :
- C3 est la proportion de la section transversale d'un élément de substitution 3 centré dans un motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale Tx x Tz du motif, et
- C2 est, dans ledit motif, la proportion de la surface dessinée par le matériau 2 par rapport à la surface totale Tx x Tz du motif (c2+c3=l) .
Différentes expériences ont montré que, dans le cas où, par exemple, εi > ε2, les conditions d' apparition du « percement » de la zone interdite existent si l'inégalité suivante est réalisée :
1/5 (CiSi) < C3S3 < 1/2 (CiSi) où : - Ci est la proportion de la section transversale d'un élément cylindrique 1 centré dans un motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale Tx x Tz du motif, et C3 est la proportion mentionnée ci-dessus. L'augmentation de εm due à une augmentation de la quantité c3ε3 conduit à un déplacement de l'incidence particulière vers les incidences élevées. Dans le cas où, par exemple, εi <£2, les précédentes remarques sont valables à la condition de remplacer dans toutes les expressions les termes S1 (i=l,3) par 1/S1. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, pour des caractéristiques particulières des éléments de substitution précédemment définies, il existe une valeur de l'angle d'incidence pour laquelle la transmission est sensiblement égale à l'unité, la largeur de la fenêtre de transmission autour de cette incidence particulière étant de l'ordre de quelques centièmes de radians. Dans le cadre de l'exemple numérique donné précédemment, la largeur de la fenêtre de transmission est de quelques centièmes de radians autour d'une incidence particulière sensiblement égale à 42° (i.e. l'angle d'incidence de l'onde sur le dispositif photonique est sensiblement égal à 42°) .
La figure 4 représente un deuxième exemple de dispositif de filtrage spatial de l'invention qui utilise la structure de la figure 1.
Le dispositif représenté en figure 4 est constitué de deux dispositifs identiques à celui représenté en figure 3. Les deux dispositifs sont empilés selon l'axe Oz. Une couche de diélectrique 4 sépare les deux dispositifs. Dans le cas où la couche 4 a une épaisseur inférieure à 2Tx, les éléments cylindriques alignés selon l'axe Oz d'un premier dispositif sont préférentiellement alignés avec les éléments cylindriques alignés selon l'axe Oz du deuxième dispositif. Pour une épaisseur de la couche 4 supérieure ou égale à 2Tx, il n'est pas nécessaire que les alignements selon l'axe Oz des éléments cylindriques des deux dispositifs coïncident.
De façon générale, l'épaisseur de la couche 4 vérifie l'équation suivante : ou : λ4 est la longueur d'onde de l'onde qui se propage dans la couche 4, - n4 est l'indice de réfraction de la couche 4, ip est l'incidence particulière (i.e. l'angle d' incidence particulier) autour de laquelle la bande angulaire interdite est définie pour la structure photonique à bande angulaire interdite à partir de laquelle la structure photonique de l'invention est définie, K est un nombre entier supérieur ou égal à 1.
Le diélectrique qui constitue la couche 4 peut être quelconque dès lors que l'équation ci-dessus est correctement vérifiée. De façon préférentielle, c'est le diélectrique utilisé pour réaliser le milieu 2 qui est également utilisé pour réaliser la couche 4. Si le milieu 2 est le vide, la couche 4 peut donc également être le vide. Le dispositif représenté en figure 5 est constitué de quatre dispositifs identiques à celui représenté en figure 3. Les quatre dispositifs sont superposés, une couche de diélectrique 4 séparant deux dispositifs voisins. Les conditions mentionnées ci- dessus pour le dispositif à deux dispositifs empilés, à savoir l'alignement des éléments cylindriques selon l'axe Oz, l'épaisseur et la nature du diélectrique qui constitue la couche 4, sont également réalisées pour le dispositif à quatre dispositifs empilés. Les performances de la structure à quatre dispositifs de filtrage sont très sensiblement améliorées par rapport aux performances des structures à un seul dispositif ou à deux dispositifs.
De façon plus générale, le coefficient de transmission de N dispositifs de filtrage élémentaires empilés varie comme la puissance Nieme du coefficient de transmission d'un dispositif de filtrage élémentaire.
Les figures 6, 7 et 8 représentent les coefficients de transmission des dispositifs de l'invention décrits précédemment. La figure 6 représente le coefficient de transmission tl du dispositif de filtrage de l'invention représenté en figure 3 en fonction de l'angle d'incidence de l'onde électromagnétique et la figure 7 représente les coefficients de transmission t2 et t3 des dispositifs de filtrage de l'invention représentés respectivement en figures 4 et 5.
La figure 8 détaille les figures 6 et 7 autour de la valeur maximale des coefficients de transmission. Il apparaît clairement qu'une structure à quatre dispositifs a des performances meilleures qu'une structure à deux dispositifs dont les performances sont elles-mêmes meilleures que les performances d'une structure à un seul dispositif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de filtrage spatial à bande passante angulaire étroite, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure photonique constituée d'un ensemble d'éléments cylindriques (1, 3) répartis sous forme de couches successives empilées avec une période spatiale Tz selon un axe Oz dans un milieu diélectrique ou dans le vide (2), les éléments cylindriques (1, 3) étant constitués d'un diélectrique de constante diélectrique relative εi très sensiblement différente de la constante diélectrique relative £2 du milieu diélectrique (2), les éléments cylindriques d'une même couche ayant un axe parallèle à un axe Oy et étant alignés avec une période spatiale Tx selon un axe Ox, les axes Oz, Oy et Ox définissant un trièdre direct, tous les éléments cylindriques (1) présentant une section transversale de surface sensiblement identique dans un même plan de section droite perpendiculaire à l'axe Oy, à l'exception des éléments cylindriques d'au moins une couche de substitution qui contient des éléments cylindriques de substitution (3) qui présentent, dans le plan de section droite, une section transversale de surface sensiblement identique sensiblement inférieure à la surface des sections transversales des éléments cylindriques des couches qui 1' entourent .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel, si εi est supérieur à £2, les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative ε3 qui vérifie l'inégalité :
1/5 Ci εi < C3 ε3 < 1/2 ci εi, où Ci est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique (1) centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et C3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution (3) centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du deuxième motif.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel, si εi est inférieur à £2, les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative ε3 qui vérifie l'inégalité :
1/5 C1ZE1 ≤ c3/ε3 < 1/2 C1Ze1, où Ci est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique (1) centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et C3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution (3) centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du deuxième motif.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau qui constitue les éléments cylindriques de substitution (3) est identique au matériau qui constitue les éléments cylindriques (1) .
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et qui comprend N ensembles d'éléments cylindriques empilés selon l'axe oz, deux ensembles voisins étant séparés par une couche diélectrique (4) .
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'épaisseur d4 de la couche diélectrique (4) qui sépare deux ensembles voisins vérifie l'équation : ou : λ4 est la longueur d'onde de l'onde qui se propage dans la couche diélectrique (4), n4 est l'indice de réfraction de la couche diélectrique (4), ip est une incidence particulière (i.e. un angle d' incidence particulier) autour de laquelle est définie une bande angulaire interdite pour une structure photonique constituée exclusivement d'éléments cylindriques (1) répartis dans un milieu diélectrique (2) ou le vide conformément à la structure photonique de la revendication 1, - K est un nombre entier supérieur ou égal à 1.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments cylindriques (1) et les éléments cylindriques de substitution (3) ont une section transversale circulaire .
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les périodes Tz et Tx sont égales.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel les périodes Tz et Tx sont égales à 0,4 fois la longueur d'onde de l'onde dans le milieu diélectrique (2) .
10. Dispositif selon les revendications 7 et 9, dans lequel le rayon de la section transversale circulaire des éléments cylindriques de substitution (3) est sensiblement égal 0,05 Tx et le rayon des éléments cylindriques (1) est sensiblement égal à 0,15 Tx.
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