EP4189773A1 - Dispositif a metasurface - Google Patents

Dispositif a metasurface

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EP4189773A1
EP4189773A1 EP21759242.7A EP21759242A EP4189773A1 EP 4189773 A1 EP4189773 A1 EP 4189773A1 EP 21759242 A EP21759242 A EP 21759242A EP 4189773 A1 EP4189773 A1 EP 4189773A1
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EP
European Patent Office
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substrate
illuminated
metasurface
reconfiguration
antenna element
Prior art date
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Pending
Application number
EP21759242.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean Chazelas
Charlotte Tripon-Canseliet
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.)
Ultimetas
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris
Sorbonne Universite
Paris Sciences et Lettres Quartier Latin
Original Assignee
Ultimetas
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris
Sorbonne Universite
Paris Sciences et Lettres Quartier Latin
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 Ultimetas, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris , Sorbonne Universite, Paris Sciences et Lettres Quartier Latin filed Critical Ultimetas
Publication of EP4189773A1 publication Critical patent/EP4189773A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/06—Means for the lighting or illuminating of antennas, e.g. for purpose of warning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/1207—Supports; Mounting means for fastening a rigid aerial element
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • H01Q3/247—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching by switching different parts of a primary active element
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2676—Optically controlled phased array

Definitions

  • the field of the invention is that of metasurface devices, for example metasurface antennas.
  • the invention applies to microwave devices.
  • Such devices can be used in various applications such as radar applications in avionics and aerospace, high-speed communication, space telecommunications.
  • Patent application WO2019219708 discloses an antenna device comprising a substrate, a ground plane formed on a rear surface of the substrate and an antenna element formed on the front surface of the substrate and comprising a first array of conductive pads separated by switches arranged between the conductive pads.
  • the antenna device includes a source of electromagnetic waves configured and arranged to generate a surface wave on the front face of the substrate.
  • the surface wave is transformed by the two-dimensional array of conductive pads into leaky waves emitted along a direction presenting a component perpendicular to the front surface of the substrate.
  • the electrical connection of certain conductive pads to each other makes it possible to form a network of groups of pads connected to each other. This solution makes it possible, without using phase shifters, to control the main direction of the emission pattern of the antenna and therefore to produce electronically scanned antennas at low cost.
  • This patent application proposes to arrange, between the adjacent conductive pads, electrically controlled switches, such as for example MEMS or diodes, to allow the adjacent pads to be electrically connected to each other selectively.
  • electrically controlled switches such as for example MEMS or diodes
  • this solution has a number of drawbacks. In particular, it generates electromagnetic disturbances which deform the radiation diagram of the metasurface device. In addition, the control of the switches may prove to be too slow.
  • An object of the invention is to limit at least one of the aforementioned drawbacks.
  • the subject of the invention is a metasurface device comprising: - a substrate having a rear surface and a front surface, the substrate comprising a ground structure capable of having a ground plane function,
  • a transmitting and/or receiving device capable of transmitting and/or receiving an electromagnetic wave, the transmitting and/or receiving device being configured and arranged so that the wave is capable of propagating in the form a surface wave on the front surface of the substrate,
  • an antenna element comprising a two-dimensional array of electrically conductive pads arranged on the front surface of the substrate, being spaced from each other and having dimensions smaller than the operating wavelength of the transmitting device and/or reception, the antenna element being capable of radiating, under the effect of the propagation of a surface wave on the front surface of the substrate, in a direction having a component perpendicular to the front surface of the substrate when the structure of mass has a ground plane function,
  • the substrate comprising a so-called connection layer of photoconductive semiconductor material, in direct physical contact with the conductive pads, the semiconductor material being insulating when it is not illuminated and capable of being conductive when it is is illuminated at a so-called reconfiguration wavelength.
  • the metasurface device comprises an optical reconfiguration device capable of illuminating a set of at least one zone, referred to as the illuminated zone, of the connection layer, so that the connection layer is conductive only in the assembly of at least one illuminated zone, so as to electrically connect two by two the metal pads of the antenna element separated and connected by a continuous zone of the connection layer located entirely in an illuminated zone of the assembly of 'at least one illuminated area to form at least one group of conductive pads electrically connected to each other.
  • an optical reconfiguration device capable of illuminating a set of at least one zone, referred to as the illuminated zone, of the connection layer, so that the connection layer is conductive only in the assembly of at least one illuminated zone, so as to electrically connect two by two the metal pads of the antenna element separated and connected by a continuous zone of the connection layer located entirely in an illuminated zone of the assembly of 'at least one illuminated area to form at least one group of conductive pads electrically connected to each other.
  • the reconfiguration optical device comprises a single reconfiguration optical source able to emit an optical beam at the reconfiguration wavelength and a diffractive optical device allowing, at from the optical beam, by diffraction, to illuminate all of at least one area illuminated at the reconfiguration wavelength.
  • the diffractive device makes it possible to illuminate a network of continuous illuminated zones, of the connection layer, separated by zones of the connection layer or a set of at least one illuminated zone delimiting zones of the connection layer. connection not illuminated by the diffractive device.
  • the set of at least one illuminated zone comprises a single illuminated zone.
  • the diffractive device is capable of alternately illuminating different sets of at least one illuminated zone of the connection layer.
  • the metasurface device comprises a ground structure capable of having a ground plane function, the ground structure being capable of being alternately in an insulating state in which it prevents the propagation of the surface wave on the substrate front surface from the transmitting and/or receiving device to the conductive pads, or vice versa, and in a conductive state in which the ground structure has a ground plane function allowing wave propagation of surface on the front surface of the substrate from the transmitting and/or receiving device to the conductive pads, or vice versa, the ground layer being capable of changing from the insulating state to the conducting state by illumination of the ground layer by an optical beam at a so-called switching wavelength.
  • the reconfiguration device can be configured and arranged to illuminate the substrate on the rear face or on the front face.
  • the diffractive device can be mounted on a cover of the metasurface device, the cover being arranged opposite the antenna element at a distance from the antenna element or be in the form of a substantially planar plate extending in a plane substantially perpendicular to the surface or front face of the substrate.
  • Figure 2 schematically illustrates more precisely, part of the antenna element of the device of Figure 1, in top view,
  • FIG.3 Figure 3 schematically illustrates another example of an antenna element
  • Figure 4 schematically illustrates, in section, the device of Figure
  • FIG.5 Figure 5 schematically illustrates, in exploded view, the device of Figure 1,
  • Figure 6 schematically illustrates, in section, a first variant of the device in which the stack is illuminated on the front face
  • Figure 7 schematically illustrates, in section, a second variant of the device in which the stack is illuminated on the front face
  • Figure 8 schematically illustrates, in section, a third variant of the metasurface device
  • Figure 9 schematically illustrates, in section, a fourth variant of the metasurface device
  • Figure 10 schematically illustrates, in section, a fifth variant of the metasurface device.
  • conductor electrically conductive
  • insulator electrically insulator
  • optical beam is meant a beam whose wavelength is located in the optical domain comprising the infrared, the ultraviolet and the visible.
  • Figure 1 schematically illustrates, in top view, a metasurface device 1 according to the invention.
  • the metasurface device 1 comprises a stack E of layers stacked along a stacking axis z perpendicular to the plane of FIG. 1.
  • the stack comprises a substrate 2, a central conductive crown CM and an antenna element 3 formed around the central conductive crown CM.
  • the central conductive crown CM is distant from a central channel O and from the antenna element 3.
  • the substrate 20 comprises a front surface 22 and a rear face 21.
  • the front and rear faces of the different layers of the stack E are defined along an axis z going in the direction from the back to the front.
  • the antenna element 3 comprises a two-dimensional periodic array of conductive pads 4 (or conductive patches) arranged on the front surface 22 of the substrate 20 and being spaced from each other.
  • the conductive pads 4 are separated by openings 5.
  • the antenna element 3 constitutes a metasurface.
  • the conductive pads 4 are, for example, metal or indium-tin oxide or ITO pads, just like the metal crown CM.
  • the conductive pads 4 and the openings 5 are substantially self complementary. Unlike a metasurface composed of conductive pads 4 and openings 5 that are strictly self-complementary, the conductive pads 4 of the antenna element 3 are separated from each other as can be seen in FIG. 2 representing part of the element antenna or metasurface 3.
  • the closest points of two adjacent conductive pads 4 are separated by an interval 6.
  • the openings 5 are therefore larger than the conductive pads 4.
  • the antenna element 3 therefore comprises intervals 6 separating the adjacent pads by their adjacent vertices.
  • the antenna element 3 substantially has a checkerboard structure.
  • the openings 5 and the conductive pads 4 are substantially square in shape.
  • the conductive pads 4 can have a strictly square shape or a substantially square shape with clipped or flattened tops. They can have a different shape, such as for example an oval or rounded shape.
  • the conductive pads 4 have sub-wavelength sides or dimensions. The same is true for the network pitch.
  • the conductive pads 4 have dimensions or sides of lengths less than or equal to l/50 and preferably between l/50 and l/100.
  • l is the operating wavelength of the metasurface device, i.e. the wave radiated by the antenna element 3.
  • the size of the interval 6, that is to say the minimum distance between two adjacent pads which may be the distance between two vertices of two adjacent conductive pads 4, is between l/1000 and l/2000 .
  • the wavelength is approximately 10 mm in air
  • the sides of the pads have a length of between 100 and 200 ⁇ m and the distance between pads 4 adjacent by their vertices is between 5 and 10 pm.
  • conductive pads 4 and substantially self-complementary openings 5 can be envisaged.
  • the pellets 4 and/or the openings 5 can, for example, have substantially the shapes of equilateral triangles, crosses, or ovals.
  • the conductive pads are arranged in rows and columns. The columns can be perpendicular or not in relation to the columns.
  • the conductive pads 4 all have the same orientation in a two-dimensional marker linked to the front face of the substrate.
  • conductive pads can have different orientations in a two-dimensional marker linked to the front face of the substrate.
  • the conductive pads 4 all have the same shape and the same dimensions. Alternatively, conductive pads have different shapes and/or different dimensions.
  • FIG 3 there is shown a metasurface 30 whose conductive pads 40 have substantially an oval shape. Conductive pads are not all the same. Conductive pads differ from other conductive pads by their shapes and their orientations a two-dimensional mark linked to the front face of the substrate.
  • the selective electrical connection between conductive pads 4 makes it possible to form a reconfigurable antenna element 3, that is to say, capable of presenting different radiation patterns from the same excitation. She makes it possible, for example, to obtain a multi-scale antenna element which may comprise a two-dimensional network of conductive pads electrically isolated from each other or a two-dimensional network of groups of conductive pads electrically connected to each other as we will see by the following.
  • Figure 4 partially schematically illustrates, in section, the metasurface device 1 of Figure 1.
  • the metasurface device comprises a source S for emitting electromagnetic waves (not visible in FIG. 1) and configured and arranged so as to generate surface waves on the front surface 22 of the substrate 2.
  • the source allows, for example, to emit spherical or cylindrical electromagnetic waves.
  • the source S is, for example, isotropic.
  • the electromagnetic waves are preferably microwaves, preferably microwaves.
  • the metasurface device is, for example, an antenna, for example microwave.
  • the metasurface device 1 comprises a channel O passing through the stack E along the z axis.
  • the source S comprises, for example, a coaxial cable C comprising a conductive central core A, surrounded by a dielectric material MD itself surrounded by a shield B.
  • the source S also comprises an electrical source SE capable of generate a microwave electric signal transmitted by the coaxial cable C to an end ED of the central core A.
  • the stripped end ED passes through the substrate 2 and extends opposite the metal crown CM.
  • the part of the stripped end ED extending opposite the antenna element 3 constitutes a monopole which radiates an electromagnetic wave, the essential part of which is diffused towards the antenna element 3 and propagates on the front face of the substrate 2 in the form of a surface wave.
  • the rest of the wave emitted by the stripped end ED is transmitted in free space.
  • the antenna element 3, whatever its scale, reflects or transforms the surface wave emitted on the front surface 22 of the substrate 2 to radiate, at the wavelength of the electromagnetic wave, according to a direction presenting a component perpendicular to the front surface 22 of the substrate 2, ie it presents a component along the z axis.
  • the total wave radiated by the antenna element comes from a recombination of the leaky waves reflected or transformed by the various conductive pads, whether it is the scale of the antenna element, i.e. say even when the conductive pads 4 are electrically isolated from each other.
  • the interference between the leaky waves radiated by the different conductive pads are radiated in a direction having a component along the z axis.
  • the central crown CM is configured and arranged to optimize the coupling rate between the wave generated by the antenna element 3 at a predetermined frequency.
  • the configuration of the central crown CM depends on the frequency of the wave generated by the monopole ED.
  • the antennas are conventionally circular as in Figure 1 but may have another geometric shape, such as a rectangular shape, for example square.
  • the substrate 20 comprises a stack of several layers comprising the ground layer 70, a connection layer 80 and an intermediate layer 90.
  • the ground layer 70 is continuous and extends opposite the entire antenna element 3.
  • the ground layer 70 is capable of having a ground plane function allowing the transmission of the surface wave on the front surface 22, from the bare end ED to the conductive pads 4, that is to say up to the antenna element 3, or vice versa, so that the antenna element 3 radiates in a direction having a component perpendicular to the front surface 22 of the substrate 20, that is to say a component along the z axis.
  • the ground layer 70 is advantageously metallic or made of transparent conductive oxide OTC or TCO (acronym of the Anglo-Saxon expression "transparent Conductive Oxide” such as; for example, indium tin oxide or ITO for the English name “Indium tin oxide”).
  • Transparent oxides conductors have the particularity of being simultaneously electrically conductive and transparent to light in the optical domain.
  • the ground layer 70 comprises the rear face 21 of the substrate 20.
  • the ground layer 70 is electrically connected to the coaxial C and more particularly to the shielding B of the coaxial.
  • the intermediate layer 90 has the function of electrically isolating the ground layer 70 from the connection layer 80.
  • the intermediate layer 90 is, for example, made of glass, for example silicon dioxide or borosilicate, which has the advantage of growing easily on silicon.
  • connection layer 80 is a layer of photoconductive semiconductor material.
  • the connection layer 80 is in direct physical contact with the conductive pads 4.
  • the connection layer 80 comprises the front face 22 of the substrate 20.
  • the semiconductor material is insulating when it is not illuminated and is capable of being conductive when it is illuminated at a reconfiguration wavelength 7r.
  • the semiconductor material changes from the insulating state to the conducting state by photoconductivity.
  • connection layer 80 by illuminating an area of the connection layer 80 in an illuminated area, the semiconductor material is made conductive in the illuminated area only.
  • a zone of the connection layer 80 By illuminating a zone of the connection layer 80, it is possible to electrically connect two by two only the metal pads 4 of the antenna element 3 which are separated and connected by a continuous zone of the layer this connection located in the illuminated zone. and connecting the conductive pads 4 and thus form a group of conductive pads 4 electrically connected to each other.
  • the optical reconfiguration of the antenna element 3 uses photoconductivity to make the connection layer 80 conductive at the intervals 6 between the conductive pads 4. This optical control has the advantage of being contactless and of 'to be fast.
  • the reconfiguration speed mainly depends on the characteristics of the semiconductor material used to form the layer of connection and the laser source used. It can vary from a few ms to a few ps.
  • the proposed configuration therefore makes it possible to optically modify the radiation law of the antenna element 3 by selectively illuminating one or more zones of the connection layer 80 at the reconfiguration wavelength 7r.
  • the proposed metasurface device is therefore capable, without physical modification of the stack E or of the network of conductive pads 4, of exhibiting different radiation laws. It suffices to provide an optical lighting device capable of illuminating the connection layer appropriately to the desired radiation law.
  • the metasurface device can therefore be used for various purposes.
  • optical control is used to limit electromagnetic interference.
  • the optical control is also decorrelated from the electrical control of the source S. It ensures independence between the reconfiguration function of the antenna and the radiation function of the antenna, the emission of the spherical wave being controlled electrically.
  • the proposed solution is relatively simple to implement since it comprises a single optical source to reconfigure the antenna. It is more reliable than a solution which would include an optical source per spot to be created on the connection layer to obtain the desired radiation law.
  • Figure 5 there is shown schematically an exploded view of the metasurface device according to the invention when it further comprises an optical reconfiguration device DR making it possible to optically reconfigure the antenna element 3.
  • the channel O and the source S are not shown in Figure 5.
  • the antenna reconfiguration device DR is capable of illuminating a set of at least one zone, called the illuminated zone ZE, of the connection layer 80 so that the connection layer is conductive only in the assembly of at least one illuminated area ZE, so as to electrically connect together two by two only the metal pads 4 of the antenna element separated and connected by continuous areas of the connection layer 80 located completely in a illuminated area ZE of the set of at least one illuminated area ZE to form at least one group G of conductive pads 4 electrically connected together.
  • the reconfiguration device DR comprises a single reconfiguration optical source SR.
  • the reconfiguration source SR is configured to emit an optical beam at the reconfiguration wavelength 7r.
  • the metasurface device 1 further comprises a diffractive optical device DIFF making it possible, from the optical beam emitted by the source SR, by diffraction, to illuminate all of at least one illuminated zone ZE of the layer of connection to the reconfiguration wavelength 7r.
  • the diffractive device DIFF makes it possible to illuminate, at the reconfiguration wavelength 7r, a network of continuous ZE illuminated zones (or spots) of the connection layer 80, the illuminated areas ZE are spaced from each other and separated by an unlit area ZNE of the connection layer 80 so that the connection layer 80 is conductive only in the illuminated areas ZE.
  • the light spots formed on the connection layer 80 by the diffractive optical device DIFF that is to say the illuminated zones ZE, are of rounded shape in the non-limiting example of FIG. 5 but could quite present different shapes.
  • the source S is not shown in this figure, for reasons of clarity.
  • the illuminated areas ZE of layer 80 are separated by an unlit area ZNE.
  • the illuminated zones ZE are distant from each other. That makes it possible to create groups of conductive pads electrically connected to each other, the groups being electrically isolated from each other.
  • the network may as a variant comprise a set of at least lit zones delimiting a network of unlit zones.
  • the illuminated areas are distant from each other. This makes it possible to create groups of conductive pads electrically connected to each other, the groups being electrically connected to each other.
  • the network can comprise at least one illuminated zone completely surrounded by an unlit zone and at least one unlit zone completely surrounded by an illuminated zone.
  • the network of illuminated zones ZE corresponds to the image projected by the reconfiguration device DR onto the front face 22 of the substrate 20.
  • the front face 22 of the substrate 20 is the image plane of the reconfiguration device DR.
  • the white areas of the antenna element 3 of Figure 5 represent the areas in which the conductive pads 4 are electrically disconnected from each other and the checkerboard areas represent the groups G of conductive pads 4 electrically connected to each other .
  • the reconfiguration device DR can comprise a set of at least one focusing lens to focus the image formed by the diffractive device DIFF on the front face 22 of the substrate 20.
  • the proposed solution makes it possible to electrically connect, two by two only, the metal pads 4 of the antenna element 3 which are separated and connected to a continuous zone of the connection layer 80 located entirely in an illuminated zone of the set of at least one illuminated area to form a network of group G of conductive pads 4 electrically connected to each other.
  • each illuminated zone ZE of the connection layer 80 comprises several intervals 6 and openings 5.
  • each illuminated zone ZE comprises a group of more than 2 metal pads 4 so that the illumination of the illuminated area ZE at the wavelength lG ensures the electrical connection between all the metal pads 4 of the antenna element 3 located in the illuminated area.
  • the diffractive optical device DIFF is capable of illuminating a single interval 6 or a single continuous zone connecting two adjacent patches 4. Each illuminated zone makes it possible to connect only two adjacent patches together.
  • the solution of FIG. 5 is however easier to implement.
  • DIFF diffractive optical devices making it possible to illuminate a network of illuminated areas such as, for example, diffractive optical elements or DOE, with reference to the Anglo-Saxon expression “Diffractive Optical Elements” or optical devices based on a matrix of micro-mirrors or DMD, in reference to the Anglo-Saxon expression “digital micromirror device”.
  • Such DIFF diffractive optical devices make it possible to generate, by diffraction, a one-dimensional or two-dimensional grating of illuminated zones or unlit zones.
  • the network can be regular or irregular.
  • the DIFF diffractive optical device can be configured to be capable of illuminating, from the beam radiated by the source, a single set of illuminated areas of the conductive layer, such as, for example, a DIFF diffractive optical device based on an element diffractive optics DOE located at a fixed distance from the source SR and the connection layer.
  • the diffractive optical device DIFF can be configured to make it possible to illuminate, from the beam radiated by the source, SR alternately, different networks of illuminated zones of the connection layer 80, each network of illuminated zones being different from the other sets of illuminated areas.
  • a DIFF diffractive optical device comprising a matrix of micro-mirrors or DMD, a control device and a set of actuators making it possible, on command from the actuator, to move individually each of the mirrors between a first position in which it reflects the light towards a diffusing lens and a second position in which it reflects the light towards an absorbing surface so that the matrix of micro-mirrors illuminates, from the beam radiated by the reconfiguration source SR, a network of groups of conductive pads 4 connected together taken from a set of predetermined networks .
  • the control device comprises, for example, a memory storing a set of networks of groups of conductive pads 4 connected together taken from a set of predetermined networks and, associating with each of these networks, the position taken from among the first position and the second position, to be occupied by each of the micro-mirrors so that the matrix of micro-mirrors illuminates the grating considered from the beam radiated by the reconfiguration source.
  • the continuous illuminated zones ZE or the continuous unlit zones may differ, for example, by their shape and/or their size and/or their orientation in a reference frame linked to the antenna element.
  • Each of the arrays of groups of electrically connected pads can be one-dimensional or two-dimensional, periodic or aperiodic.
  • the proposed solution therefore makes it possible to modify the radiation law of the antenna by modifying the frequency, for example by modifying the pitch of the array of conductive pads and/or the direction of the antenna radiation, for example by modifying orientation of groups of interconnected cells.
  • the modification of the direction of the radiation of the antenna is equivalent to a spatial scanning of the beam radiated by the antenna.
  • the reconfiguration device DR is configured to illuminate the substrate 20 or the stack E on the rear face. In other words, all of at least one radiation projected on the stack E is projected in the direction of the front face 22 towards the rear face 21 of the substrate.
  • the ground layer 70 is advantageously made of a material transparent to the reconfiguration wavelength 7r so as not to absorb the radiation projected by the substrate reconfiguration device DR so that it renders the connection layer 90 conductive in the areas illuminated to interconnect conductive pads.
  • the reconfiguration device DR is configured to illuminate the stack E opposite front, that is to say all of at least one radiation projected on the stack E is projected in the direction of the front face 22 towards the rear face 21 of the substrate 20.
  • This embodiment is less constraining and can be less expensive than the lighting on the rear face 21 because the ground layer does not mask the connection layer.
  • the choice of the material forming the ground layer can be wider.
  • the ground layer can be made as described above or be made of a material that absorbs radiation at the reconfiguration wavelength lh. It can, for example, be a metal layer that can be expensive.
  • the diffractive device DIFF is mounted facing the antenna element 3.
  • the channel O and the source S are not shown in Figures 6 and 7.
  • the device diffractive DIFF has, for example, substantially the shape of a flat plate substantially parallel to the front face 21 of the substrate 20.
  • the diffractive device DIFF is, for example, mounted on a protective cover CP of the metasurface or radome.
  • This cover CP has the shape of a plate substantially parallel to the front face 21 of the substrate 20 and is placed at a distance from the antenna element 3 along the z axis.
  • the cover CP is advantageously transparent in the optical domain, at least at the reconfiguration wavelength r, which makes it possible to place the diffractive optical device DIFF on the front face AV of the cover, without interfering with the reconfiguration of the element d antenna 3
  • the diffractive device illuminates the illuminated zones ZE included in an overall zone Z.
  • the diffractive device DIFF is mounted on a rear face AR of the cover CP, this rear face AR facing the antenna element 3.
  • the source SR can comprise a remote laser L and an optical fiber transmitting the radiation emitted by the source SR as far as one end of the optical fiber FO arranged facing the diffractive optical device DIFF.
  • the end of the optical fiber FO is held facing the diffractive optical device DIFF by a support.
  • the diffractive device DIFF of the metasurface device 1001 is mounted on a frame CA maintaining a protective cover CP at a distance from the antenna element 3.
  • the diffractive device DIFF has, for example, substantially the shape of a flat plate substantially perpendicular to the front face 22 of the substrate 20.
  • the front face 22 is then illuminated in a grazing manner.
  • This configuration makes it possible to limit the masking of the antenna element by the diffractive optical device DIFF.
  • FIG. 8 represents a variant of a metasurface device 201.
  • the metasurface device 201 differs from that of FIG. 4 by the substrate 200 and, more particularly, in that the ground layer 212 is a photoconductive semiconductor material .
  • the coaxial and the electric source SE are not represented in figure 8.
  • the metasurface device comprises the connection layer 280 and the ground layer 212, the connection layer 280 being interposed between the antenna element 3 and the ground layer 212.
  • the connection layer 280 is disposed on the front face 224 of the ground layer 212.
  • the substrate S also comprises an insulating layer 214 formed on the rear face 225 of the ground layer 212.
  • the insulating layer 214 is transparent to a switching wavelength lo.
  • the insulating layer is transparent to optical beams.
  • the insulating layer 214 is, for example, made of glass, for example silicon dioxide or borosilicate, which has the advantage of growing easily on silicon.
  • the ground layer 212 is able to be in an insulating state in which it prevents the propagation of the surface wave on the front surface 22 of the substrate 20, so as to prevent the antenna element
  • the ground layer 212 is able to be in an insulating state in which it prevents the propagation of the surface wave (generated by the source S) on the front surface 22 of the substrate 20, from the device transmission and / or reception to the conductive pads 4, or vice versa, which prevents the antenna element 3 to radiate at the wavelength of the electromagnetic wave, in a direction having a non-zero component along the z axis.
  • the ground layer 212 is also able to be and in a conductive state in which the ground layer 212 has a ground plane function allowing the propagation of the surface wave on the front surface 22 of the substrate 20.
  • the antenna element 3 transforms or reflects the surface wave and radiates an electromagnetic wave along a direction having a component perpendicular to the front surface 22 of the substrate 20, that is to say a component along the axis z.
  • the ground layer 212 is capable of passing from the insulating state to the conductive state by photoconductivity under the effect of illumination of the ground layer 212 by an optical beam at a so-called switching wavelength lo . It is also capable of being maintained in the conductive state when the illumination is maintained.
  • the metasurface device 201 is changed from an off state, in which it is unable to radiate. under the effect of the radiation from the source S, in an on state, in which it is capable of radiating under the effect of the radiation from the source S.
  • the metasurface device 201 advantageously comprises a switching source 8 able to pass from a state in which it does not illuminate the ground layer so that the ground layer 212 either in the insulating state to a state in which it illuminates the ground layer 7 at the switching wavelength so that it changes from the insulating state to the conducting state.
  • the metasurface device advantageously comprises a DC control device making it possible to control the switching source 8 so as to make it pass from an on state in which it illuminates the ground layer, so that the ground layer either in the conductive state, in an off state in which it does not illuminate the ground layer, and vice versa.
  • control of the ground layer 212 is independent of the control of the electromagnetic wave source generating the spherical wave. excitation of the metasurface and therefore of the signal radiated by the metasurface device.
  • the temporal precision of an optical command is better than that of an electrical command. This solution therefore makes it possible to obtain very good temporal precision at an instant at which the metasurface device is turned on or off and therefore at an instant at which electromagnetic radiation is emitted. Indeed, the antenna only radiates when the ground structure is illuminated so as to create the ground plane.
  • This temporal precision makes it possible to carry out precise measurements, for example, for radar or telecommunications applications. It makes it possible, for example, to obtain good precision on the measurement of the round-trip travel time of the wave emitted to the illuminated object.
  • thickness of a part of the device is meant its dimension along the z axis of the stack.
  • ground layer 212 The photoconductive semiconductor material of the ground layer 212 is chosen so that the ground layer 212 has a depth of penetration E1 less than the thickness E of the ground layer 212 at the wavelength of lo switching so that when the entire rear face 225 of ground layer 212 is illuminated at the lo switching wavelength, ground layer 212 comprises:
  • a conductive portion 215 forming the ground plane and extending, from the rear face 225, over a thickness of the conductive portion less than the thickness E of the ground layer 212 and,
  • an insulating portion 216 extending over the rest of the thickness E so that the conductive portion 215 is insulated from the antenna element 3 by the insulating portion 216 when the connection layer 280 is conductive.
  • the reconfiguration device DR is configured to illuminate the rear face 22 of the substrate 202.
  • the ground layer 212 is advantageously made of photoconductive material transparent to the reconfiguration wavelength 7r different from the length lo switching wavelength and the connection layer is made of a material transparent to the lo switching wavelength.
  • materials transparent to respective wavelengths distant from each other are chosen, for example a material transparent at 800 nm and having a high absorption coefficient at 1.5 micrometers and another material substantially transparent at 1.5 micrometers and having a high absorption coefficient at 800 nm.
  • the reconfiguration device DR is configured to illuminate the stack EE on the front face.
  • the connection layer 280 advantageously has a thickness such that the optical beams illuminating the front face 22 of the substrate 20 at the wavelength lG are completely absorbed by the connection layer 280 which makes it possible to produce the ground layer of absorbent material. at the 7r wavelength.
  • the thickness of the connection layer is advantageously chosen so as to be greater than the depth of penetration of light at the wavelength lh
  • the ground layer is the connection layer. It is possible to reconfigure the metasurface device by the reconfiguration device DR by front face illumination when the switching source 8 illuminates the substrate on the rear face by choosing the wavelengths lG and lo and the thickness of the layer of connection so that the ground layer comprises an insulating portion electrically isolating the illuminated areas ZE made conductive by the reconfiguration device DR and the conductive area made conductive by the switching source 8.
  • FIG. 9 represents a variant of a metasurface device 301.
  • the metasurface device 301 differs from that of FIG. 4 by the substrate 300 and, more particularly, in that the ground layer 370 is able to pass from an insulating state to a conductive state by photoconductivity under the effect of the illumination of the ground layer 370 by a source 8 at the switching wavelength lo.
  • the ground layer 370 comprises a central photoconductive part PC surrounding the channel O and a peripheral conductive part PF surrounding the central photoconductive part PC.
  • the central photoconductive part PC made of semiconductor material has the shape of a crown surrounding and delimiting the channel O.
  • the conductive peripheral part PF has the shape of a crown surrounding the photoconductive central part PC.
  • the peripheral conductive part PF is attached to the central photoconductive part PC.
  • the photoconductive central part PC is capable of being alternately in an insulating state and in a conductive state.
  • the central photoconductive part PC is in the insulating state when it is not illuminated.
  • the photoconductive central part PC is capable of passing into the conductive state, in which it is totally conductive, when it is illuminated at the switching wavelength lo by photoconductivity.
  • the central photoconductive part PC is made of a semiconductor material such as, for example, silicon, gallium arsenide GaAs or a two-dimensional material such as, for example, a transition metal dichalocgenide or TMD, acronym of the Anglo-Saxon expression "Transition metal dichalcogenide” or in an organic semiconductor material.
  • a semiconductor material such as, for example, silicon, gallium arsenide GaAs or a two-dimensional material such as, for example, a transition metal dichalocgenide or TMD, acronym of the Anglo-Saxon expression "Transition metal dichalcogenide” or in an organic semiconductor material.
  • the conductive peripheral part PF is, for example, metallic or made of indium tin oxide or ITO for the English name "Indium tin oxide”) which is transparent in the visible spectrum.
  • the photoconductive central part PC When the photoconductive central part PC is in the insulating state, it prevents the propagation of the surface wave generated by the source S on the front surface 22 of the substrate 300 from the source to the element of antenna 3 that is to say up to the conductive pads 4, or vice versa.
  • the ground layer 370 is substantially totally conductive. It is continuously conductive facing the whole of the antenna element 3 or metasurface.
  • the ground layer 7 therefore has a ground plane function allowing the transmission of the surface wave on the front surface 22 of the substrate 2.
  • the antenna element 3 reflects or transforms the surface wave.
  • the antenna element 3 radiates a total wave at the wavelength of the electromagnetic wave in a direction comprising a component perpendicular to the upper surface 22.
  • the switching source 8 comprises, for example, a laser source, for example surface-emitting vertical-cavity laser diode or VCSEL, acronym for the English expression "surface-emitting vertical-cavity laser diode” or a light-emitting diode.
  • a laser source for example surface-emitting vertical-cavity laser diode or VCSEL, acronym for the English expression "surface-emitting vertical-cavity laser diode” or a light-emitting diode.
  • the switching source 8 comprises, for example, a mirror, to deflect the optical beam emitted by the laser source so that the optical beam illuminates the desired surface.
  • the central photoconductive part PC is advantageously made of a photoconductive material transparent to the reconfiguration wavelength Xr different from the switching wavelength Xc and the connection layer 80 is made of a material transparent to the wavelength switching Xc.
  • FIG. 10 represents a variant of a metasurface device 301.
  • the metasurface device 301 differs from that of FIG. 4 by its substrate 302 which differs from the substrate 2 of FIG. 4 by the ground layer 470 which is free of the central part PC and by the intermediate layer 290 which is made of a photoconductive semiconductor material chosen so that, when the source 8 illuminates the central part 292 of the rear face 291 of the intermediate layer 290 at the wavelength of switching Xc, this central part 292 becomes conductive and the ground layer 470 has the ground plane function.
  • Ground layer 470 includes rear face 221 of substrate 302.
  • the rear face 291 of the intermediate layer 290 is attached to the ground layer 470.
  • the central part 292 connects the channel O to the peripheral part PF.
  • the device therefore comprises a ground structure comprising the ground layer 470; comprising only the peripheral part PF, and the central part 292 of the rear face 291 of the intermediate layer 290.
  • the thickness EP of the intermediate layer 290 is greater than the depth of penetration of the material which forms it so that the intermediate layer 290 provides electrical insulation between the ground plane and the conductive pads 4.
  • the material forming the intermediate layer 290 is transparent to the reconfiguration wavelength lG different from the switching wavelength lo and the connection layer 80 is in a material transparent to the wavelength of switching lo.
  • the switching and/or reconfiguration wavelengths are, for example, located in the infrared range. They are, for example, between 800 nm and 1500 nm, which makes it possible to use conventional semiconductor materials such as silicon and gallium arsenide (AsGa). Switching and reconfiguration wavelengths can be located throughout the optical domain. They can, for example, be located in the ultraviolet or visible range. It is for example possible to use two-dimensional semiconductor materials or gallium nitride (GaN).
  • the metasurface device comprises a source of emission of electromagnetic waves S such that the metasurface device is able to radiate an electromagnetic wave. More generally, applicable to all the embodiments, the metasurface device comprises a transmission and/or reception device capable of transmitting and/or receiving an electromagnetic wave, the transmission and/or reception device being configured and arranged so that the electromagnetic wave that it emits or receives is capable of propagating in the form of a surface wave on the front surface of the substrate.
  • the antenna element is capable of reflecting or transforming a wave moving along a direction comprising a non-zero component along the x axis to transform it into a wave propagating on the surface front of the substrate and being received by the reception device which may comprise a coaxial cable as represented in FIG. 4.
  • the device then comprises means for processing the signal received by the coaxial cable.
  • the transmitting and/or receiving device is intended to operate at a certain wavelength.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

Dispositif à métasurface comprenant : - un élément d'antenne (3) formé sur la surface avant d'un substrat (20), ledit élément d'antenne comprenant un réseau bidimensionnel de pastilles électriquement conductrices (4) distantes les unes des autres et présentant des dimensions inférieures à la longueur d'onde de fonctionnement d'un dispositif d'émission et/ou de réception, l'élément d'antenne (3) étant apte à rayonner selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant du substrat (4) lorsque la structure de masse présente une fonction de plan de masse, le substrat (20) comprenant une couche dite de connexion (80) en matériau semi- conducteur photoconducteur, en contact physique direct avec les pastilles conductrices (4), le matériau semi-conducteur étant isolant lorsqu'il n'est pas éclairé et apte à être conducteur lorsqu'il est éclairé à une longueur d'onde de reconfiguration.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Dispositif à métasurface
[0001] Le domaine de l’invention est celui des dispositifs à métasurface, par exemple des antennes à métasurfaces. L’invention s’applique aux dispositifs hyperfréquences.
[0002] De tels dispositifs peuvent être utilisés dans différentes applications telles que les applications radar dans l’avionique et l’aérospatiale, la communication haut débit, les télécommunications spatiales.
[0003] La demande de brevet WO2019219708 divulgue un dispositif d’antenne comprenant un substrat, un plan de masse formé sur une surface arrière du substrat et un élément d’antenne formé sur la surface avant du substrat et comprenant un premier réseau de pastilles conductrices séparées par des interrupteurs disposés entre les pastilles conductrices. Le dispositif d’antenne comprend une source d’ondes électromagnétiques configurée et disposée pour générer une onde de surface sur la face avant du substrat. L’onde de surface est transformée par le réseau bidimensionnel de pastilles conductrices en ondes de fuite émises selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant du substrat. La connexion électrique de certaines pastilles conductrices entre-elles permet de former un réseau de groupes de pastilles connectées entre elles. Cette solution permet, sans utiliser de déphaseurs, de contrôler la direction principale du diagramme d’émission de l’antenne et donc de réaliser des antennes à balayage électronique à bas coût.
[0004] Cette demande de brevet propose de disposer, entre les pastilles conductrices adjacentes, des interrupteurs commandés électriquement, comme par exemple des MEMS ou des diodes, pour permettre de relier électriquement les pastilles adjacentes entre-elles de façon sélective. Toutefois, cette solution présente un certain nombre d’inconvénients. Elle génère notamment des perturbations électromagnétiques qui déforment le diagramme de rayonnement du dispositif à métasurface. Par ailleurs, la commande des interrupteurs peut s’avérer trop lente.
[0005] Un but de l’invention est de limiter au moins un des inconvénients précités.
[0006] A cet effet, l’invention a pour objet, un dispositif à métasurface comprenant : - un substrat ayant une surface arrière et une surface avant, le substrat comprenant une structure de masse apte à avoir une fonction de plan de masse,
- un dispositif d’émission et/ou de réception apte à émettre et/ou à recevoir une onde électromagnétique, le dispositif d’émission et/ou de réception étant configuré et disposé de façon que l’onde soit apte à se propager sous forme d’une onde de surface sur la surface avant du substrat,
- un élément d’antenne comprenant un réseau bidimensionnel de pastilles électriquement conductrices disposées sur la surface avant du substrat, étant distantes les unes des autres et présentant des dimensions inférieures à la longueur d’onde de fonctionnement du dispositif d’émission et/ou de réception, l’élément d’antenne étant apte à rayonner, sous l’effet de la propagation d’une onde de surface sur la surface avant du substrat, selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant du substrat lorsque la structure de masse présente une fonction de plan de masse,
- le substrat comprenant une couche, dite de connexion, en matériau semi- conducteur photoconducteur, en contact physique direct avec les pastilles conductrices, le matériau semi-conducteur étant isolant lorsqu’il n’est pas éclairé et apte à être conducteur lorsqu’il est éclairé à une longueur d’onde dite de reconfiguration.
[0007] Avantageusement, le dispositif à métasurface comprend un dispositif optique de reconfiguration apte à éclairer un ensemble d’au moins une zone, dite zone éclairée, de la couche de connexion, de façon que la couche de connexion soit conductrice uniquement dans l’ensemble d’au moins une zone éclairée, de sorte à connecter électriquement deux à deux les pastilles métalliques de l’élément d’antenne séparées et reliées par une zone continue de la couche de connexion située totalement dans une zone éclairée de l’ensemble d’au moins une zone éclairée pour former au moins un groupe de pastilles conductrices connectées électriquement entre elles.
[0008] Avantageusement, le dispositif optique de reconfiguration comprend une unique source optique de reconfiguration apte à émettre un faisceau optique à la longueur d’onde de reconfiguration et un dispositif optique diffractif permettant, à partir du faisceau optique, par diffraction, d’éclairer l’ensemble d’au moins une zone éclairée à la longueur d’onde de reconfiguration.
[0009] Avantageusement, le dispositif diffractif permet d’éclairer un réseau de zones éclairées continues, de la couche de connexion, séparées par des zones de la couche de connexion ou un ensemble d’au moins une zone éclairée délimitant des zones de la couche de connexion non éclairées par le dispositif diffractif.
[0010] En variante, l’ensemble d’au moins une zone éclairée comprend une unique zone éclairée.
[0011] Avantageusement, le dispositif diffractif est apte éclairer alternativement différents ensembles d’au moins une zone éclairée de la couche de connexion.
[0012] Avantageusement, le dispositif à métasurface comprend une structure de masse apte à avoir une fonction de plan de masse, la structure de masse étant apte à être alternativement dans un état isolant dans lequel elle empêche la propagation de l’onde de surface sur la surface avant de substrat depuis le dispositif d’émission et/ou de réception jusqu’aux pastilles conductrices, ou inversement, et dans un état conducteur dans lequel la structure de masse a une fonction de plan de masse permettant la propagation de l’onde de surface sur la surface avant du substrat depuis le dispositif d’émission et/ou de réception jusqu’aux pastilles conductrices, ou inversement, la couche de masse étant apte à passer de l’état isolant à l’état conducteur par éclairement de la couche de masse par un faisceau optique à une longueur d’onde dite de commutation.
[0013] Le dispositif de reconfiguration peut être configuré et disposé pour éclairer le substrat en face arrière ou en face avant.
[0014] Dans le cas d’un éclairage en face avant le dispositif diffractif peut être monté sur un couvercle du dispositif à métasurface, le couvercle étant disposé en regard de l’élément d’antenne à distance de l’élément d’antenne ou être sous forme d’une plaque sensiblement plane s’étendant dans un plan sensiblement perpendiculaire à la surface ou face avant du substrat.
[0015] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : [0016] [Fig.1 ] la figure 1 illustre schématiquement, en vue de dessus, un dispositif à métasurface selon l’invention,
[0017] [Fig.2] la figure 2 illustre schématiquement de façon plus précise, une partie de l’élément d’antenne du dispositif de la figure 1 , en vue de dessus,
[0018] [Fig.3] la figure 3 illustre schématiquement, un autre exemple d’élément d’antenne,
[0019] [Fig.4] la figure 4 illustre schématiquement, en coupe, le dispositif de la figure
1 ,
[0020] [Fig.5] la figure 5 illustre schématiquement, en vue éclatée, le dispositif de la figure 1 ,
[0021] [Fig.6] la figure 6 illustre schématiquement, en coupe, une première variante du dispositif dans lequel l’empilement est éclairé en face avant,
[0022] [Fig.7] la figure 7 illustre schématiquement, en coupe, une deuxième variante du dispositif dans lequel l’empilement est éclairé en face avant,
[0023] [Fig.8] la figure 8 illustre schématiquement, en coupe, une troisième variante du dispositif à métasurface,
[0024] [Fig.9] la figure 9 illustre schématiquement, en coupe, une quatrième variante du dispositif à métasurface
[0025] [Fig.10] la figure 10 illustre schématiquement, en coupe, une cinquième variante du dispositif à métasurface.
[0026] Dans la suite du texte, par conducteur, on entend conducteur électriquement et par isolant, on entend isolant électriquement.
[0027] Par faisceau optique, on entend un faisceau dont la longueur d’onde est située dans le domaine optique comprenant l’infrarouge, l’ultraviolet et le visible.
[0028] La figure 1 illustre schématiquement, en vue de dessus, un dispositif à métasurface 1 selon l’invention.
[0029] Le dispositif à métasurface 1 comprend un empilement E de couches empilées selon un axe d’empilement z perpendiculaire au plan de la figure 1. L’empilement comprend un substrat 2, une couronne centrale conductrice CM et un élément d’antenne 3 formé autour de la couronne centrale conductrice CM. La couronne centrale conductrice CM est distante d’un canal O central et de l’élément d’antenne 3.
[0030] Le substrat 20 comprend une surface avant 22 et une face arrière 21. Les faces avant et arrière des différentes couches de l’empilement E sont définies selon un axe z allant dans le sens de l’arrière vers l’avant.
[0031] L’élément d’antenne 3 comprend un réseau périodique bidimensionnel de pastilles conductrices 4 (ou patchs conducteurs) disposées sur la surface avant 22 du substrat 20 et étant distantes les unes des autres. Les pastilles conductrices 4 sont séparées par des ouvertures 5. L’élément d’antenne 3 constitue une métasurface.
[0032] Les pastilles conductrices 4 sont, par exemple, des pastilles métalliques ou d’oxyde d’indium-étain ou ITO tout comme la couronne métalliques CM.
[0033] Les pastilles conductrices 4 et les ouvertures 5 sont sensiblement auto complémentaires. Contrairement à une métasurface composée de pastilles conductrices 4 et d’ouvertures 5 strictement auto-complémentaires, les pastilles conductrices 4 de l’élément d’antenne 3 sont écartées les unes des autres comme visible sur la figure 2 représentant une partie de l’élément d’antenne ou métasurface 3.
[0034] Autrement dit, les points les plus proches de deux pastilles conductrices 4 adjacentes sont séparés par un intervalle 6. Les ouvertures 5 sont donc plus grandes que les pastilles conductrices 4.
[0035] L’élément d’antenne 3 comprend donc des intervalles 6 séparant les pastilles adjacentes par leurs sommets adjacents.
[0036] Dans l’exemple non limitatif de la figure 1 , l’élément d’antenne 3 présente sensiblement une structure de damier. Les ouvertures 5 et les pastilles conductrices 4 sont sensiblement de forme carrée.
[0037] Les pastilles conductrices 4 peuvent présenter une forme strictement carrée ou une forme sensiblement carrée aux sommets écrêtés ou aplatis. Elles peuvent présenter une forme différente, comme par exemple une forme ovale ou arrondie.
[0038] Les pastilles conductrices 4 présentent des côtés ou des dimensions sub longueur d’ondes. Il en est de même pour le pas du réseau. [0039] Avantageusement, les pastilles conductrices 4 présentent des dimensions ou des côtés de longueurs inférieures ou égales l/50 et de préférence comprises entre l/50 et l/100. l est la longueur d’onde de fonctionnement du dispositif à métasurface, c’est-à-dire de l’onde rayonnée par l’élément d’antenne 3.
[0040] La taille de l’intervalle 6, c'est-à-dire la distance minimale entre deux pastilles adjacentes qui peut être la distance entre deux sommets de deux pastilles conductrices 4 adjacentes, est comprise entre l/1000 et l/2000. Pour une antenne fonctionnant à la fréquence de 30 GHz, la longueur d’onde est d’environ 10 mm dans l’air, les côtés des pastilles présentent une longueur compris entre 100 et 200 pm et la distance entre pastilles 4 adjacentes par leurs sommets est comprise entre 5 et 10 pm.
[0041] D’autres métasurfaces comprenant des pastilles conductrices 4 et d’ouvertures 5 sensiblement auto-complémentaires sont envisageables. Les pastilles 4 et/ou les ouvertures 5 peuvent, par exemple, présenter sensiblement des formes de triangles équilatéraux, de croix, ou d’ovales. Ainsi les pastilles conductrices sont disposées en lignes et en colonnes. Les colonnes pouvant être perpendiculaires ou non par rapport aux colonnes.
[0042] Dans l’exemple de la figure 1 , les pastilles conductrices 4 présentent toutes une même orientation dans un repère bidimensionnel lié à la face avant du substrat. En variante, des pastilles conductrices peuvent présenter des orientations différentes dans un repère bidimensionnel lié à la face avant du substrat.
[0043] Dans l’exemple de la figure 1 , les pastilles conductrices 4 présentent toutes une même forme et les mêmes dimensions. En variante, des pastilles conductrices présentent des formes différentes et/ou des dimensions différentes.
[0044] En figure 3, on a représenté une métasurface 30 dont les pastilles conductrices 40 présentent sensiblement une forme d’ovale. Les pastilles conductrices ne sont pas toutes identiques. Des pastilles conductrices diffèrent d’autres pastilles conductrices par leurs formes et leurs orientations un repère bidimensionnel lié à la face avant du substrat.
[0045] La connexion électrique sélective entre des pastilles conductrices 4 permet de former un élément d’antenne 3 reconfigurable, c’est-à-dire, susceptible de présenter des diagrammes de rayonnement différents à partir d’une même excitation. Elle permet, par exemple, d’obtenir un élément d’antenne multi-échelle pouvant comprendre un réseau bidimensionnel de pastilles conductrices isolées électriquement les unes des autres ou d’un réseau bidimensionnel de groupes de pastilles conductrices connectées électriquement entre elles comme nous le verrons par la suite.
[0046] La figure 4 illustre schématiquement partiellement, en coupe, le dispositif à métasurface 1 de la figure 1.
[0047] Le dispositif à métasurface comprend une source S permettant d’émettre des ondes électromagnétiques (non visible en figure 1) et configurée et disposée de façon à générer des ondes de surface sur la surface avant 22 du substrat 2.
[0048] La source, permet, par exemple, d’émettre des ondes électromagnétiques sphériques ou cylindriques.
[0049] La source S est, par exemple, isotrope.
[0050] Les ondes électromagnétiques sont, de préférence, des micro-ondes, de préférence des hyperfréquences. Le dispositif à métasurface est, par exemple, une antenne, par exemple hyperfréquence.
[0051] Le dispositif à métasurface 1 comprend un canal O traversant l’empilement E selon l’axe z.
[0052] La source S comprend, par exemple, un câble coaxial C comprenant une âme centrale A conductrice, entouré d’un matériau diélectrique MD lui-même entouré d’un blindage B. La source S comprend également une source électrique SE apte à générer un signal électrique hyperfréquence transmis par le câble coaxial C jusqu’à une extrémité ED de l’âme centrale A.
[0053] L’extrémité dénudée ED traverse le substrat 2 et s’étend en regard de couronne métallique CM.
[0054] La partie de l’extrémité dénudée ED s’étendant en regard de l’élément d’antenne 3 constitue un monopole qui rayonne une onde électromagnétique dont la partie essentielle est diffusée vers l’élément d’antenne 3 et se propage sur la face avant du substrat 2 sous forme d’une onde de surface. Le reste de l’onde émise par l’extrémité dénudée ED est transmis dans l’espace libre. [0055] L’élément d’antenne 3, quelle que soit son échelle, réfléchit ou transforme l’onde de surface émise sur la surface avant 22 du substrat 2 pour rayonner, à la longueur d’onde de l’onde électromagnétique, selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant 22 du substrat 2, c’est-à-dire qu’elle présente une composante selon l’axe z. L’onde totale rayonnée par l’élément d’antenne est issue d’une recombinaison des ondes de fuite réfléchies ou transformées par les différentes pastilles conductrices qu’elle soit l’échelle de l’élément d’antenne c’est-à-dire même lorsque les pastilles conductrices 4 sont isolées électriquement les unes des autres. Les interférences entre les ondes de fuite rayonnées par les différentes pastilles conductrices sont rayonnées selon une direction présentant une composante selon l’axe z.
[0056] Avantageusement, la couronne centrale CM est configurée et disposée pour optimiser le taux de couplage entre l’onde générée par l’élément d’antenne 3 à une fréquence prédéterminée. La configuration de la couronne centrale CM dépend de la fréquence de l’onde générée par le monopole ED.
[0057] Les antennes sont classiquement circulaires comme sur la figure 1 mais peuvent présenter une autre forme géométrique, comme par exemple, une forme rectangulaire, par exemple carrée.
[0058] Le substrat 20 comprend un empilement de plusieurs couches comprenant la couche de masse 70, une couche de connexion 80 et une couche intermédiaire 90.
[0059] La couche de masse 70 est continue et s’étend en regard de la totalité de l’élément d’antenne 3.
[0060] La couche de masse 70 est apte à avoir une fonction de plan de masse permettant la transmission de l’onde de surface sur la surface avant 22, depuis l’extrémité dénudée ED jusqu’aux pastilles conductrices 4, c’est à dire jusqu’à l’élément d’antenne 3, ou inversement, afin que l’élément d’antenne 3 rayonne selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant 22 du substrat 20, c’est-à-dire une composante selon l’axe z.
[0061] La couche de masse 70 est, avantageusement, métallique ou en oxyde transparent conducteur OTC ou TCO (acronyme de l’expression anglo-saxonne « transparent Conductive Oxide » comme ; par exemple, l’oxyde d’indium étain ou ITO pour l'appellation anglaise « Indium tin oxide >>). Les oxydes transparents conducteurs (OTC) présentent la particularité d'être simultanément conducteurs électriques et transparents à la lumière dans le domaine optique.
[0062] Dans l’exemple non limitatif de la figure 4, la couche de masse 70 comprend la face arrière 21 du substrat 20.
[0063] La couche de masse 70 est reliée électriquement au coaxial C et plus particulièrement au blindage B du coaxial.
[0064] La couche intermédiaire 90 a pour fonction d’isoler électriquement la couche de masse 70 de la couche de connexion 80.
[0065] La couche intermédiaire 90 est, par exemple, réalisée en verre, par exemple en dioxyde de silicium ou en borosilicate, qui présente l’avantage de croître aisément sur le silicium.
[0066] La couche de connexion 80 est une couche en matériau semi-conducteur photoconducteur. La couche de connexion 80 est en contact physique direct avec les pastilles conductrices 4. Autrement dit, la couche de connexion 80 comprend la face avant 22 du substrat 20.
[0067] Le matériau semi-conducteur est isolant lorsqu’il n’est pas éclairé et est apte à être conducteur lorsqu’il est éclairé à une longueur d’onde de reconfiguration 7r. Le matériau semi-conducteur passe de l’état isolant à l’état conducteur par photoconductivité.
[0068] Ainsi, en éclairant une zone de la couche de connexion 80 dans une zone éclairée, on rend le matériau semi-conducteur conducteur dans la zone éclairée uniquement. En éclairant une zone de la couche de connexion 80, on peut connecter électriquement deux à deux uniquement les pastilles métalliques 4 de l’élément d’antenne 3 qui sont séparées et reliées par une zone continue de la couche ce connexion située dans la zone éclairée et reliant les pastilles conductrices 4 et ainsi, former un groupe de pastilles conductrices 4 connectées électriquement entre-elles.
[0069] La reconfiguration optique de l’élément d’antenne 3 utilise la photoconductivité pour rendre conducteur la couche de connexion 80 au niveau des intervalles 6 entre les pastilles conductrices 4. Cette commande optique présente l’avantage d’être sans contact et d’être rapide. La vitesse de reconfiguration dépend principalement des caractéristiques du matériau semi-conducteur utilisé pour former la couche de connexion et de la source laser utilisée. Elle peut varier de quelques ms à quelques ps.
[0070] On peut ainsi reconfigurer l’élément d’antenne 3 en passant d’un élément d’antenne 3 formant un damier de pastilles conductrices 4 isolées électriquement les unes des autres, lorsque la couche de connexion 80 n’est pas éclairée à la longueur d’onde de reconfiguration r, à un élément d’antenne comprenant une ou plusieurs groupes de pastilles conductrices reliées électriquement entre-elles et, éventuellement, des pastilles isolées électriquement de toutes les autres pastilles, lorsque la couche de connexion 80 est éclairée à la longueur d’onde de reconfiguration 7r.
[0071] La configuration proposée permet donc de modifier optiquement la loi de rayonnement de l’élément d’antenne 3 en éclairant de façon sélective une ou plusieurs zones de la couche de connexion 80 à la longueur d’onde de reconfiguration 7r.
[0072] Le dispositif à métasurface proposé est donc susceptible, sans modification physique de l’empilement E ni du réseau de pastilles conductrices 4, de présenter différentes lois de rayonnement. Il suffit de prévoir un dispositif d’éclairage optique apte à éclairer la couche de connexion de façon appropriée à la loi de rayonnement souhaité. Le dispositif à métasurface peut donc être employé pour différents usages.
[0073] Par ailleurs, la commande optique est permet de limiter les perturbations électromagnétiques. La commande optique est également décorrélée de la commande électrique de la source S. Elle assure une indépendance entre la fonction de reconfiguration de l’antenne et la fonction de rayonnement de l’antenne, l’émission de l’onde sphérique étant commandée électriquement.
[0074] La solution proposée est relativement simple à réaliser puisqu’elle comprend une unique source optique pour reconfigurer l’antenne. Elle est plus fiable qu’une solution qui comprendrait une source optique par spot devant être crée sur la couche de connexion pour obtenir la loi de rayonnement souhaitée.
[0075] Sur la figure 5, on a représenté schématiquement une vue éclatée du dispositif à métasurface selon l’invention lorsqu’il comprend en outre un dispositif optique de reconfiguration DR permettant de reconfigurer optiquement l’élément d’antenne 3. [0076] Dans un souci de simplification, le canal O et la source S ne sont pas représentés sur la figure 5.
[0077] Le dispositif de reconfiguration DR de l’antenne est apte d’éclairer un ensemble d’au moins une zone, dite zone éclairée ZE, de la couche de connexion 80 de façon que la couche de connexion soit conductrice uniquement dans l’ensemble d’au moins une zone éclairée ZE, de sorte à connecter électriquement deux à deux entre-elles uniquement les pastilles métalliques 4 de l’élément d’antenne séparées et reliées par des zones continues de la couche de connexion 80 situées totalement dans une zone éclairée ZE de l’ensemble d’au moins une zone éclairée ZE pour former au moins un groupe G de pastilles conductrices 4 connectées électriquement entre elles.
[0078] Avantageusement, le dispositif de reconfiguration DR comprend une unique source optique de reconfiguration SR. La source de reconfiguration SR est configurée pour émettre un faisceau optique à la longueur d’onde de reconfiguration 7r.
[0079] Le dispositif à métasurface 1 comprend en outre un dispositif optique diffractif DIFF permettant, à partir du faisceau optique émis par la source SR, par diffraction, d’éclairer l’ensemble d’au moins une zone éclairée ZE de la couche de connexion à la longueur d’onde de reconfiguration 7r.
[0080] Avantageusement, comme dans l’exemple de la figure 5, le dispositif diffractif DIFF permet d’éclairer, à la longueur d’onde de reconfiguration 7r, un réseau de zones éclairées ZE continues (ou spots) de la couche de connexion 80, les zones éclairées ZE sont distantes les unes des autres et séparées par une zone non éclairée ZNE de la couche de connexion 80 de façon que la couche de connexion 80 soit conductrice uniquement dans les zones éclairées ZE. Les spots lumineux formés sur la couche de connexion 80 par le dispositif optique diffractif DIFF, c’est-à-dire les zones éclairées ZE, sont de forme arrondie dans l’exemple non limitatif de la figure 5 mais pourraient tout à fait présenter des formes différentes. La source S n’est pas représentée, sur cette figure, pour des raisons de clarté.
[0081] Les zones éclairées ZE de la couche 80 sont séparées par une zone non éclairée ZNE. Les zones éclairées ZE sont distantes les unes des autres. Cela permet de créer des groupes de pastilles conductrices connectées électriquement entre-elles, les groupes étant isolés électriquement les uns des autres.
[0082] Le réseau peut en variante comprendre un ensemble d’au moins zones éclairées délimitant un réseau de zones non éclairées. Les zones éclairées sont distantes les unes des autres. Cela permet de créer des groupes de pastilles conductrices connectées électriquement entre-elles, les groupes étant connectés électriquement entre-eux.
[0083] Le réseau peut en variante comprendre au moins une zone éclairée entourée complètement par une zone non éclairée et au moins une zone non éclairée entourée complètement par une zone éclairée.
[0084] Le réseau de zones éclairées ZE correspond à l’image projetée par le dispositif de reconfiguration DR sur la face avant 22 du substrat 20. La face avant 22 du substrat 20 est le plan image du dispositif de reconfiguration DR.
[0085] Les zones blanches de l’élément d’antenne 3 de la figure 5 représentent les zones dans lesquelles les pastilles conductrices 4 sont déconnectées électriquement entre elles et les zones en damier représentent les groupes G de pastilles conductrices 4 connectées électriquement entre-elles.
[0086] Le dispositif de reconfiguration DR peut comprendre un ensemble d’au moins une lentille de focalisation pour focaliser l’image formée par le dispositif diffractif DIFF sur la face avant 22 du substrat 20.
[0087] La solution proposée permet de connecter électriquement, deux à deux uniquement les pastilles métalliques 4 de l’élément d’antenne 3 qui sont séparées et reliées une zone continue de la couche de connexion 80 située totalement dans une zone éclairée de l’ensemble d’au moins une zone éclairée pour former un réseau de groupe G de pastilles conductrices 4 connectées électriquement entre-elles.
[0088] Cette solution permet, par exemple, en choisissant le dispositif optique diffractif DIFF de façon appropriée, d’obtenir un élément d’antenne 3 multi-échelle apte à présenter des motifs unitaires correspondant aux pastilles conductrices et un pas égal au du réseau de pastilles conductrice 4. L’élément d’antenne est également apte à présenter des motifs unitaires correspondant aux groupes de pastilles conductrices connectées électriquement entre elles et donc un pas correspondant à un multiple du pas du réseau de pastilles conductrices 3. [0089] Dans la réalisation particulière de la figure 5, chaque zone éclairée ZE de la couche de connexion 80 comprend plusieurs intervalles 6 et ouvertures 5. En effet, chaque zone éclairée ZE comprend un groupe de plus de 2 pastilles métalliques 4 de sorte que l’éclairement de la zone éclairée ZE à la longueur d’onde lG assure la connexion électrique entre toutes les pastilles métalliques 4 de l’élément d’antenne 3 situées dans la zone éclairée.
[0090] En variante, le dispositif optique diffractif DIFF est apte à éclairer un unique intervalle 6 ou une unique zone continue reliant deux pastilles adjacentes 4. Chaque zone éclairée permet de connecter uniquement deux pastilles adjacentes entre elle. La solution de la figure 5 est toutefois plus aisée à mettre en oeuvre.
[0091] Il existe de nombreux dispositifs optiques diffractifs DIFF permettant d’éclairer un réseau de zones éclairées comme, par exemple, les éléments optiques diffractifs ou DOE, en référence à l’expression anglo-saxonne « Diffractive Optical Eléments » ou dispositifs optiques basés sur une matrice de micro-miroirs ou DMD, en référence à l’expression anglo-saxonne « digital micromirror device ».
[0092] De tels dispositifs optiques diffractifs DIFF permettent de générer, par diffraction, un réseau monodimensionnel ou bidimensionnel de zones éclairées ou de zones non éclairées. Le réseau peut être régulier ou irrégulier.
[0093] Le dispositif optique diffractif DIFF peut être configuré pour être apte à éclairer, à partir du faisceau rayonné par la source, un unique ensemble de zones éclairées de la couche conductrices comme, par exemple, un dispositif optique diffractif DIFF basé sur un élément d’optique diffractif DOE situé à une distance fixe de la source SR et de la couche de connexion.
[0094] Le dispositif optique diffractif DIFF peut être configuré pour permettre de d’éclairer, à partir du faisceau rayonné par la source, SR alternativement, différents réseaux de zones éclairées de la couche de connexion 80, chaque réseau de zones éclairées étant différent des autres ensembles de zones éclairées.
[0095] C’est, par exemple, le cas d’un dispositif optique diffractif DIFF comprenant une matrice de micro-miroirs ou DMD, un dispositif de commande et un ensemble d’actionneurs permettant, sur commande de l’actionneur, de déplacer individuellement chacun des miroirs entre une première position dans laquelle il réfléchit la lumière vers une lentille de diffusion et une deuxième position dans laquelle il réfléchit la lumière vers une surface absorbante de façon que la matrice de micro-miroirs éclaire, à partir du faisceau rayonné par la source de reconfiguration SR, un réseau de groupes de pastilles conductrices 4 connectées entre elles pris parmi un ensemble de réseaux prédéterminés.
[0096] Le dispositif de commande comprend, par exemple, une mémoire stockant un ensemble de réseaux de groupes de pastilles conductrices 4 connectées entre elles pris parmi un ensemble de réseaux prédéterminés et, associant à chacun de ces réseaux, la position prise parmi la première position et la deuxième position, devant être occupé par chacun des micro-miroirs pour que la matrice de micro-miroirs éclaire le réseau considéré à partir du faisceau rayonné par la source de reconfiguration.
[0097] Les zones continues éclairées ZE ou les zones continues non éclairées peuvent différer, par exemple, par leur forme et/ou leur taille et/ou leur orientation dans un repère lié à l’élément d’antenne. Chacun des réseaux de groupes de pastilles connectées électriquement entre elles peut être monodimensionnel ou bidimensionnel, périodique ou apériodique.
[0098] La solution proposée permet donc de modifier la loi de rayonnement de l’antenne en modifiant la fréquence, par exemple par modification du pas du réseau de pastilles conductrices et/ou la direction du rayonnement de d’antenne, par exemple par modification de l’orientation des groupes de cellules interconnectées. La modification de la direction du rayonnement de l’antenne équivaut à un balayage spatial du faisceau rayonnée par l’antenne.
[0099] Dans la réalisation de la figure 5, le dispositif de reconfiguration DR est configuré pour éclairer le substrat 20 ou l’empilement E en face arrière. Autrement dit, l’ensemble d’au moins un rayonnement projeté sur l’empilement E est projeté dans le sens de la face avant 22 vers la face arrière 21 du substrat. La couche de masse 70 est avantageusement réalisée dans un matériau transparent à la longueur d’onde de reconfiguration 7r pour ne pas absorber le rayonnement projeté par le dispositif de reconfiguration DR substrat de façon qu’il rende la couche de connexion 90 conductrice dans le zones éclairées pour interconnecter des pastilles conductrices.
[0100] Dans une variante du dispositif à métasurface 100, représentée en figure 6, le dispositif de reconfiguration DR est configuré pour éclairer l’empilement E en face avant, c’est-à-dire l’ensemble d’au moins un rayonnement projeté sur l’empilement E est projeté dans le sens de la face avant 22 vers la face arrière 21 du substrat 20.
[0101] Ce mode de réalisation est moins contraignant et peut être moins coûteux que l’éclairage en face arrière 21 car la couche de masse ne masque pas la couche de connexion. Le choix du matériau formant la couche de masse peut être plus vaste. La couche de masse peut être réalisé comme décrit précédemment ou être réalisée dans un matériau absorbant le rayonnement à la longueur d’onde de reconfiguration lh Elle peut par, exemple être une couche métallique peut onéreuse.
[0102] Sur la figure 6, le dispositif diffractif DIFF est monté en regard de l’élément d’antenne 3. Dans un souci de simplicité le canal O et la source S ne sont pas représentés sur les figures 6 et 7. Le dispositif diffractif DIFF présente, par exemple, sensiblement une forme de plaque plane sensiblement parallèle à la face avant 21 du substrat 20.
[0103] Le dispositif diffractif DIFF est, par exemple, monté sur un couvercle de protection CP de la métasurface ou radôme. Ce couvercle CP présente une forme de plaque sensiblement parallèle à la face avant 21 du substrat 20 et est disposé à distance de l’élément d’antenne 3 selon l’axe z. Le couvercle CP est avantageusement transparent dans le domaine optique, au moins à la longueur d’onde de reconfiguration r, ce qui permet de disposer le dispositif optique diffractif DIFF sur la face avant AV du couvercle, sans gêner la reconfiguration de l’élément d’antenne 3
[0104] Le dispositif diffractif éclaire les zones éclairées ZE comprises dans une zone globale Z.
[0105] En variante, le dispositif diffractif DIFF est monté sur une face arrière AR du couvercle CP, cette face arrière AR étant en regard de l’élément d’antenne 3.
[0106] La source SR peut comprendre un laser L déporté et une fibre optique transmettant le rayonnement émis par la source SR jusqu’à une extrémité de la fibre optique FO disposée en regard du dispositif optique diffractif DIFF. L’extrémité de la fibre optique FO est maintenue en regard du dispositif optique diffractif DIFF par un support. [0107] Dans la variante représentée en figure 7, le dispositif diffractif DIFF du dispositif à métasurface 1001 est monté sur un cadre CA maintenant un couvercle de protection CP à distance de l’élément d’antenne 3.
[0108] Le dispositif diffractif DIFF présente, par exemple, sensiblement une forme de plaque plane sensiblement perpendiculaire à la face avant 22 du substrat 20 La face avant 22 est alors éclairée de façon rasante.
[0109] Cette configuration permet de limiter le masquage de l’élément d’antenne par le dispositif optique diffractif DIFF.
[0110] La figure 8 représente une variante de dispositif à métasurface 201. Le dispositif à métasurface 201 diffère de celui de la figure 4 par le substrat 200 et, plus particulièrement, en ce que la couche de masse 212 est matériau semi-conducteur photoconducteur. Dans un souci de simplicité le coaxial et la source électrique SE ne sont pas représentés sur la figure 8.
[0111] Avantageusement, le dispositif à métasurface comprend la couche de connexion 280 et la couche de masse 212, la couche de connexion 280 étant interposée entre l’élément d’antenne 3 et la couche de masse 212. La couche de connexion 280 est disposée sur la face avant 224 de la couche de masse 212.
[0112] Le substrat S comprend également une couche isolante 214 formée sur la face arrière 225 de la couche de masse 212. La couche isolante 214 est transparente à une longueur d’onde de commutation lo.
[0113] Par exemple, la couche isolante est transparente aux faisceaux optiques. La couche isolante 214 est, par exemple, réalisée en verre, par exemple en dioxyde de silicium ou en borosilicate, qui présente l’avantage de croître aisément sur le silicium.
[0114] Avantageusement, la couche de masse 212 est apte à être dans un état isolant dans lequel elle empêche la propagation de l’onde de surface sur la surface avant 22 de substrat 20, de sorte à empêcher l’élément d’antenne
[0115] Par exemple, la couche de masse 212 est apte à être dans un état isolant dans lequel elle empêche la propagation de l’onde de surface (générée par la source S) sur la surface avant 22 de substrat 20, depuis le dispositif d’émission et/ou de réception jusqu’aux pastilles conductrices 4, ou inversement, ce qui empêche l’élément d’antenne 3 de rayonner à la longueur d’onde de l’onde électromagnétique, selon une direction présentant une composante non nulle selon l’axe z.
[0116] La couche de masse 212 est également apte à être et dans un état conducteur dans lequel la couche de masse 212 a une fonction de plan de masse permettant la propagation de l’onde de surface sur la surface avant 22 du substrat 20. Ainsi l’élément d’antenne 3 transforme ou réfléchit l’onde de surface et rayonne une onde électromagnétique selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant 22 du substrat 20, c’est-à-dire une composante selon l’axe z.
[0117] La couche de masse 212 est apte à passer de l’état isolant à l’état conducteur par photoconductivité sous l’effet de éclairement de la couche de masse 212 par un faisceau optique à une longueur d’onde dite de commutation lo. Elle est également apte à être maintenue dans l’état conducteur lorsque l’éclairement est maintenu.
[0118] Ainsi, en commandant optiquement la couche de masse 212, pour la faire passer de l’état isolant à l’état conducteur, on fait passer le dispositif à métasurface 201 d’un état éteint, dans lequel il est inapte à rayonner sous l’effet du rayonnement de la source S, à un état allumé, dans lequel il est apte à rayonner sous l’effet du rayonnement de la source S.
[0119] Afin de commander optiquement la couche de masse 212, le dispositif à métasurface 201 comprend avantageusement une source de commutation 8 apte passer d’un état dans lequel elle n’éclaire pas la couche de masse de sorte que la couche de masse 212 soit dans l’état isolant à un état dans lequel elle éclaire la couche de masse 7 à la longueur d’onde de commutation de façon qu’elle passe de l’état isolant à l’état conducteur.
[0120] Le dispositif à métasurface comprend, avantageusement, un dispositif de commande DC permettant de commander la source de commutation 8 de façon à la faire passer d’un état allumé dans lequel elle éclaire la couche de masse, pour que la couche de masse soit dans l’état conducteur, à un état éteint dans lequel elle n’éclaire pas couche de masse, et inversement.
[0121] Ainsi, la commande de la couche de masse 212 est indépendante de la commande de la source d’onde électromagnétique générant l’onde sphérique d’excitation de la métasurface et donc du signal rayonné par le dispositif à métasurface.
[0122] La précision temporelle d’une commande optique est meilleure que celle d’une commande électrique. Cette solution permet donc d’obtenir une très bonne précision temporelle sur un instant auquel on allume ou on éteint le dispositif à métasurface et donc sur un instant auquel on émet un rayonnement électromagnétique. En effet, l’antenne ne rayonne que lorsque la structure de masse est éclairée de façon à créer le plan de masse.
[0123] Cette précision temporelle permet de réaliser des mesures précises, par exemple, pour les applications radar ou en télécommunications. Elle permet, par exemple, d’obtenir une bonne précision sur la mesure du temps de trajet aller-retour de l’onde émise jusqu’à l’objet éclairé.
[0124] Dans la suite du texte, par épaisseur d’une partie du dispositif, on entend sa dimension selon l’axe z de l’empilement.
[0125] Le matériau semi-conducteur photoconducteur de la couche de masse 212 est choisi de façon que la couche de masse 212 présente une profondeur de pénétration E1 inférieure à l’épaisseur E de la couche de masse 212 à la longueur d’onde de commutation lo de sorte que lorsque la totalité de la face arrière 225 de la couche de masse 212 est éclairée à la longueur d’onde de commutation lo, la couche de masse 212 comprend :
- une portion conductrice 215 formant le plan de masse et s’étendant, depuis la face arrière 225, sur une épaisseur de la portion conductrice inférieure à l’épaisseur E de la couche de masse 212 et,
- une portion isolante 216 s’étendant sur le reste de l’épaisseur E de sorte que la portion conductrice 215 soit isolée de l’élément d’antenne 3 par la portion isolante 216 lorsque la couche de connexion 280 est conductrice.
[0126] Dans la réalisation de la figure 8, le dispositif de reconfiguration DR est configuré pour éclairer la face arrière 22 du substrat 202.
[0127] La couche de masse 212 est avantageusement en matériau photoconducteur transparent à la longueur d’onde de reconfiguration 7r différente de la longueur d’onde de commutation lo et la couche de connexion est dans un matériau transparent à la longueur d’onde de commutation lo.
[0128] On choisit avantageusement des matériaux transparents à des longueurs d’ondes respectives éloignées l’une de l’autre, par exemple un matériau transparent à 800 nm et présentant un coefficient d’absorption élevé à 1 ,5 micromètre et un autre matériau sensiblement transparent à 1 ,5 micromètre et présentant un coefficient d’absorption élevé à 800 nm.
[0129] On peut, par exemple choisir une couche de masse du type AsGa et un couche de connexion en matériau semi-conducteur bidimensionnel.
[0130] En variante, le dispositif de reconfiguration DR est configuré pour éclairer l’empilement EE en face avant. La couche de connexion 280 présente avantageusement une épaisseur telle que les faisceaux optiques éclairant la face avant 22 du substrat 20 à la longueur d’onde lG sont totalement absorbés par la couche de connexion 280 ce qui permet de réaliser la couche de masse en matériau absorbant à la longueur d’onde 7r.
[0131] Alors, l’épaisseur de la couche de connexion est avantageusement choisie de façon à être supérieure à la profondeur de pénétration de la lumière à la longueur d’onde lh
[0132] En variante, la couche de masse est la couche de connexion. Il est possible de reconfigurer le dispositif à métasurface par le dispositif de reconfiguration DR par un éclairage face avant lorsque la source de commutation 8 éclaire le substrat en face arrière en choisissant les longueurs d’ondes lG et lo et l’épaisseur de la couche de connexion de sorte que la couche de masse comprenne une portion isolante isolant électriquement les zones ZE éclairées rendues conductrices par le dispositif de reconfiguration DR et la zone conductrice rendue conductrice par la source de commutation 8.
[0133] La figure 9 représente une variante de dispositif à métasurface 301. Le dispositif à métasurface 301 diffère de celui de la figure 4 par le substrat 300 et, plus particulièrement, en ce que la couche de masse 370 est apte à passer d’un état isolant à un état conducteur par photoconductivité sous l’effet de l’éclairage de la couche de masse 370 par une source 8 à la longueur d’onde de commutation lo. [0134] La couche de masse 370 comprend une partie centrale photoconductrice PC entourant le canal O et une partie périphérique conductrice PF entourant la partie centrale photoconductrice PC.
[0135] La partie centrale photoconductrice PC en matériau semi-conducteur présente une forme de couronne entourant et délimitant le canal O.
[0136] La partie périphérique conductrice PF présente une forme de couronne entourant la partie centrale photoconductrice PC.
[0137] La partie périphérique conductrice PF est accolée à la partie centrale photoconductrice PC.
[0138] La partie centrale photoconductrice PC est apte à être alternativement dans un état isolant et dans un état conducteur.
[0139] La partie centrale photoconductrice PC est dans l’état isolant lorsqu’elle n’est pas éclairée.
[0140] La partie centrale photoconductrice PC est apte à passer dans l’état conducteur, dans lequel elle totalement conductrice, lorsqu’elle est éclairée à la longueur d’onde de commutation lo par photoconductivité.
[0141] La partie centrale photoconductrice PC est réalisée en un matériau semi- conducteur comme, par exemple, le Silicium, l’arséniure de gallium GaAs ou un matériau bi-dimensionnel comme, par exemple, un dichalocgénure de métal de transition ou TMD, acronyme de l’expression anglo-saxonne « Transition métal dichalcogenide » ou en un matériau semi-conducteur organique.
[0142] La partie périphérique conductrice PF est, par exemple, métallique ou en oxyde d’indium étain ou ITO pour l'appellation anglaise « Indium tin oxide ») qui est transparent dans le spectre visible.
[0143] Lorsque la partie centrale photoconductrice PC est dans l’état isolant, elle empêche la propagation de l’onde de surface générée par la source S sur la surface avant 22 de substrat 300 depuis la source jusqu’à l’élément d’antenne 3 c’est-à-dire jusqu’aux pastilles conductrices 4, ou inversement.
[0144] Lorsque la partie centrale photoconductrice PC est dans l’état conducteur, la couche de masse 370 est sensiblement totalement conductrice. Elle est continûment conductrice en regard de la totalité de l’élément d’antenne 3 ou métasurface. La couche de masse 7 a donc une fonction de plan de masse permettant la transmission de l’onde de surface sur la surface avant 22 du substrat 2. L’élément d’antenne 3 réfléchit ou transforme l’onde de surface. L’élément d’antenne 3 rayonne une onde totale à la longueur d’onde de l’onde électromagnétique selon une direction comprenant une composante perpendiculaire à la surface supérieure 22.
[0145] La source de commutation 8 comprend, par exemple, une source laser, par exemple diode laser à cavité verticale émettant par la surface ou VCSEL acronyme de l’expression anglo-saxonne « diode laser à cavité verticale émettant par la surface » ou une diode électroluminescente.
[0146] La source de commutation 8 comprend, par exemple, un miroir, pour dévier le faisceau optique émis par la source laser de façon que le faisceau optique éclaire la surface souhaitée.
[0147] La partie photoconductrice centrale PC est avantageusement en matériau photoconducteur transparent à la longueur d’onde de reconfiguration Xr différente de la longueur d’onde de commutation Xc et la couche de connexion 80 est dans un matériau transparent à la longueur d’onde de commutation Xc.
[0148] La figure 10 représente une variante de dispositif à métasurface 301. Le dispositif à métasurface 301 diffère de celui de la figure 4 par son substrat 302 qui diffère du substrat 2 de la figure 4 par la couche de masse 470 qui est dépourvue de la partie centrale PC et par la couche intermédiaire 290 qui est réalisée en matériau semi-conducteur photoconducteur choisi de sorte que, lorsque la source 8 éclaire la partie centrale 292 de la face arrière 291 de la couche intermédiaire 290 à la longueur d’onde de commutation Xc, cette partie centrale 292 devient conductrice et la couche de masse 470 a la fonction de plan de masse. La couche de masse 470 comprend la face arrière 221 du substrat 302.
[0149] La face arrière 291 de la couche intermédiaire 290 est accolée à la couche de masse 470.
[0150] La partie centrale 292 relie le canal O à la partie périphérique PF.
[0151] Le dispositif comprend donc une structure de masse comprenant la couche de masse 470; comprenant uniquement la partie périphérique PF, et la partie centrale 292 de la face arrière 291 de la couche intermédiaire 290. L’épaisseur EP de la couche intermédiaire 290 est supérieure à la profondeur de pénétration du matériau qui la forme de façon que la couche intermédiaire 290 assure l’isolation électrique entre le plan de masse et les pastilles conductrices 4.
[0152] Avantageusement le matériau formant la couche intermédiaire 290 est transparent à la longueur d’onde de reconfiguration lG différente de la longueur d’onde de commutation lo et la couche de connexion 80 est dans un matériau transparent à la longueur d’onde de commutation lo.
[0153] Les longueurs d’onde de commutation et/ou de reconfiguration sont, par exemple, situées dans le domaine infrarouge. Elles sont, par exemple, comprises entre 800 nm et 1500 nm ce qui permet d’utilise des matériaux semi-conducteurs conventionnels tels que le silicium et l’arséniure de gallium (AsGa). Les longueurs d’onde de commutation et de reconfiguration peuvent être situées dans tout le domaine optique. Elles peuvent, par exemple, être situées dans le domaine ultra violet ou le visible. On peut par exemple utiliser des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels ou le nitrure de gallium (GaN).
[0154] Dans la réalisation de la figure 4, le dispositif à métasurface comprend une source d’émission d’ondes électromagnétiques S de sorte que le dispositif à métasurface est apte à rayonner une onde électromagnétique. De façon plus générale, applicable à tous les modes de réalisation, le dispositif à métasurface comprend un dispositif d’émission et/ou de réception apte à émettre et/ou à recevoir une onde électromagnétique, le dispositif d’émission et/ou réception étant configuré et disposé de façon que l’onde électromagnétique qu’il émet ou reçoit soit apte à se propager sous forme d’une onde de surface sur la surface avant du substrat. Dans le cas d’un dispositif de réception, l’élément d’antenne est apte à réfléchir ou transformer une onde se déplaçant selon une direction comprenant une composante non nulle selon l’axe x pour la transformer en une onde se propageant sur la surface avant du substrat et étant reçue par le dispositif de réception pouvant comprendre un câble coaxial tel que représenté en figure 4. Le dispositif comprend alors des moyens de traitement du signal reçu par le câble coaxial. Le dispositif d’émission et/ou de réception est destiné à fonctionner à une certaine longueur d’onde.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif à métasurface comprenant :
- un substrat (20) ayant une surface arrière (21) et une surface avant (22), le substrat (20) comprenant une structure de masse (70) apte à avoir une fonction de plan de masse,
- un dispositif d’émission et/ou de réception apte à émettre et/ou à recevoir une onde électromagnétique, le dispositif d’émission et/ou de réception étant configuré et disposé de façon que l’onde soit apte à se propager sous forme d’une onde de surface sur la surface avant du substrat,
- un élément d’antenne (3) comprenant un réseau bidimensionnel de pastilles électriquement conductrices (4) disposées sur la surface avant du substrat (20), distantes les unes des autres et présentant des dimensions inférieures à la longueur d’onde de fonctionnement du dispositif d’émission et/ou de réception, l’élément d’antenne (3) étant apte à rayonner, sous l’effet de la propagation d’une onde de surface sur la surface avant du substrat, selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant du substrat lorsque la structure de masse (270) présente une fonction de plan de masse, le substrat (20) comprenant une couche dite de connexion (80) en matériau semi- conducteur photoconducteur, en contact physique direct les pastilles conductrices (4), le matériau semi-conducteur étant isolant lorsqu’il n’est pas éclairé et apte à être conducteur lorsqu’il est éclairé à une longueur d’onde dite de reconfiguration.
2. Dispositif à métasurface selon la revendication précédente, comprenant un dispositif optique de reconfiguration (DR) apte à éclairer un ensemble d’au moins une zone, dite zone éclairée, de la couche de connexion (80) de façon que la couche de connexion (80) soit conductrice uniquement dans l’ensemble d’au moins une zone éclairée, de sorte à connecter électriquement deux à deux les pastilles métalliques (4) de l’élément d’antenne séparées et reliées par une zone continue de la couche de connexion (80) située totalement dans une zone éclairée (ZE) de l’ensemble d’au moins une zone éclairée (ZE) pour former au moins un groupe (G) de pastilles conductrices (4) connectées électriquement entre elles.
3. Dispositif à métasurface (1) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif optique de reconfiguration (DR) comprend une unique source optique de reconfiguration (DIFF) apte à émettre un faisceau optique à la longueur d’onde de reconfiguration et un dispositif optique diffractif (DIFF) permettant, à partir du faisceau optique, par diffraction, d’éclairer l’ensemble d’au moins une zone éclairée (ZE) à la longueur d’onde de reconfiguration.
4. Dispositif à métasurface (1) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif diffractif (DIFF) permet d’éclairer un réseau de zones éclairées (ZE), de la couche de connexion (80) ou un ensemble d’au moins une zone éclairée délimitant des zones de la couche de connexion non éclairées par le dispositif diffractif (DIFF).
5. Dispositif à métasurface selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif diffractif (DIFF) est apte éclairer alternativement différents d’au moins une zone éclairée de la couche de connexion (80).
6. Dispositif à métasurface selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une structure de masse (370) apte à avoir une fonction de plan de masse, la structure de masse (370) étant apte à être alternativement dans un état isolant dans lequel elle empêche la propagation de l’onde de surface sur la surface avant (22) de substrat (2) depuis le dispositif d’émission et/ou de réception jusqu’aux pastilles conductrices (4), ou inversement, et dans un état conducteur dans lequel la structure de masse (370) a une fonction de plan de masse permettant la propagation de l’onde de surface sur la surface avant (22) du substrat (2) depuis le dispositif d’émission et/ou de réception jusqu’aux pastilles conductrices, ou inversement, la couche de masse (7) étant apte à passer de l’état isolant à l’état conducteur par éclairement de la couche de masse (7) par un faisceau optique à une longueur d’onde dite de commutation.
7. Dispositif à métasurface selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel le dispositif de reconfiguration (DR) est configuré et disposé pour éclairer le substrat en face arrière.
8. Dispositif à métasurface selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel le dispositif de reconfiguration (DR) est apte à éclairer le substrat en face avant.
9. Dispositif à métasurface selon la revendication 8, dans lequel le dispositif diffractif (DIFF) est monté sur un couvercle du dispositif à métasurface, le couvercle étant disposé en regard de l’élément d’antenne (3) à distance de l’élément d’antenne (3).
10. Dispositif à métasurface selon la revendication 8, dans lequel le dispositif diffractif (DIFF) présente une forme de plaque sensiblement plane sensiblement perpendiculaire à la surface avant (22).
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