FR2837935A1 - Element optique a cristal photonique unidimensionnel, et dispositifs optiques le comportant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un élément optique.Elle se rapporte à un élément optique qui a une structure multicouche (1) qui forme un cristal photonique unidimensionnel et a une surface d'extrémité perpendiculaire aux surfaces des couches de la structure (1) et utilisée comme surface d'entrée de lumière (3). L'élément optique comporte une unité de modulation de phase (8) en butée contre la surface d'entrée de lumière, pour la création d'une onde modulée en phase de période égale à celle de la structure périodique dans la direction d'empilement de la structure (1). L'une des surfaces opposées de la structure (1) qui sont pratiquement parallèles aux surfaces des couches de est utilisée comme surface de sortie de lumière.Application à des dispositifs spectroscopiques et à laser à semi-conducteur.

Description

La présente invention concerne un élément optique et un dispositif

spectroscopique utilisés essentiellement dans un système de communications optiques, une machine de mesure

optique, un résonateur externe d'un laser ou analogue.

La demande d'accroissement de capacité des réseaux de communications à fibres optiques a fortement augmenté avec les rapides progrès d'Internet ces dernières années. e développement des communications multiplexées en longueur d'onde a progressé rapidement pour l'accroissement de capa cité. Dans les communications multiplexées en longueur donde, les éléments optiquement fonctionnels, tels qu'un démultiplexeur optique, un filtre et un isolateur, doivent avoir une excellente sélectivité en longueur d'onde car divers types dinformations sont transmis individuellement

par de la lumière à des longueurs donde lagèrement diffé-

rentes. I1 est évident que la production en série, la minia-

turisation, lintégration, la stabilité, etc. sont néces-

saires dans le cas de ces éléments fonctionnels.

Un démultiplexeur optique (ou un dispositif spectrosco pique) est utilisé pour le démultiplexage ou la détection d'un signal optique multiplexé à plusieurs longueurs d'onde de manière artificielle, comme dans les communications optiques à multiplexage en longueur donde, ou pour l'analyse spectrale d'une lumière cible, comme en spectro métrie. Le démultiplexeur optique doit comporter des éléments spectroscopiques tels qutun prisme, un filtre de

longueurs d'onde et un réssau de diffraction. En particu-

lier, le réseau de diffraction est un exemple d'élément spectroscopique. Ainsi, un substrat de quartz ou de silicium ayant une structure périodique à microprismes à sa surface est utilisé comme réseau de diffraction. Les rayons lumineux diffractés créés par la structure périodique à microprismes interfèrent, si bien que de la lumière ayant une longueur d'onde spécifique sort dans une direction spécifique. Cette

propriété est utilisée pour l'élément spectroscopique.

I1 existe cependant une limite en pratique à l'ampli-

tude de variation de l' angle d'émergence de la lumière du réseau de diffraction en fonction de la longueur donde. Un problème est posé par le fait que 1' augmentation de

dimension du dispositif est inévitable pour que les per-

formances du démultiplexeur optique ayant le réseau de diffraction soient accrues. Pour la solution de ce problème, il faut un élément optique qui puisse donner une variation angulaire en fonction de la longueur d'onde plus grande que celle du réseau de diffraction. Un cristal photonique ayant une structure dans laquelle des diélectriques ayant des indices de réfraction différents sont disposés périodique ment avec des intervalles de période pratiquement égale à la longueur donde de la lumière constitue un élément optique ayant une dispersion en longueur d'onde supérieure à celle du réseau de diffraction. On sait que le cristal photonique présente les propriétés suivantes: (a) le confinement de la lumière dû à une bande interdite photonique, (b) une très grande dispersion en longueur d'onde due à une structure originale de bandes photoniques, et (c) une anomalie de la vitesse de groupe de la lumière

qui se propage.

Un grand nombre d'éléments optiques mettant en oeuvre

ces propriétés a déjà été proposé ou examiné.

De tels cristaux photoniques peuvent être constitués de cristaux photoniques unidimensionnel, bidimensionnel ou tridimensionnel selon le nombre de directions qui ont des structures périodiques. Par exemple, le cristal photonique unidimensionnel le plus simple est un filtre multicouche

formé de manière que deux sortes de couches minces diélec-

triques (couches de SiO2 et TiO2) soient empilées en alternance sur un substrat plan à faces parallèles. Un filtre multicouche a déjà été utilisé en pratique. Cette structure a pour fonction de ne réfléchir que la lumière d'entrée comprise dans une certaine plage de longueurs d'onde, car elle présente une bande interdite photonique dans une direction périodique. En outre, comme la plage de longueurs d'onde de la bande interdite photonique pour la lumière oblique d'entrée varie avec la direction de polarisation, le filtre multicouche peut être utilisé comme

un filtre de séparation de la lumière polarisée.

Une structure formée par application d'opérations photolithographiques de manière que des trous dlair soient disposés dans des couches minces sur un substrat a été

largement examinée en détail comme cristal photonique bidi-

mensionnel. Lorsqu'un défaut linéaire est constitué par larrangement des trous d'air, la partie à défaut linéaire

peut être utilisée comme guide d'onde.

Dans un cristal photonique tridimensionnel, un guide donde stériue peut être obtenu lorsqu'une bande photonique interdite est réalisoe dans toutes les directions. On peut cependant prévoir qu'un grand nombre d'éléments optiques doivent être intégrés dans un élément sous forme d'un cube

dienviron 1 mm de côté.

Parmi les cristaux photoniques unidimensionnels, bidi-

mensionnels et tridimensionnels, les cristaux unidimension-

nels nont pas été étudiés autant que les cristaux bidimensionnels et tridimensionnels, car la meilleure utili

sation des propriétés des cristaux photoniques unidimension-

nels est presque limitée aux filtres multicouches, bien que les cristaux photoniques unidimensionnels aient le grand avantage de pouvoir être produits facilement. La très grande dispersion en longueur donde due à la structure originale de bandes des cristaux photoniques unidimensionnels peut cependant être utilisée suffisamment. Comme utilisation de la très grande dispersion en longueur d'onde, il existe un exemple dans lequel une surface d'extrémité d'un filtre multicouche, c'est-à-dire une surface à laguelle une struc ture multicouche est exposée, est utilisée comme surface

d'entrée ou de sortie de lumière.

D'après les études des inventeurs, il s'est avéré que

de la lumière tombant en direction pratiquement perpendicu-

laire sur une surface dextrémité d'un film multicouche se

propage en direction apériodique, si bien que la caracté-

ristique d'un élément spectroscopique comportant le cristal photonique peut être obtenue (demande de brevet japonais

n 2001-266 715).

Comme décrit dans la suite, suivant des simulations d'ondes électromagnétiques effectuées par les inventeurs, ceux-ci ont constaté que, lorsqu'une onde plane de lumière monochromatique tombe en direction pratiquement perpendicu laire sur une surface d'extrémité d'un cristal photonique unidimensionnel (film multicouche périodique), la lumière est séparée en ondes qui correspondent à certaines bandes photoniques si bien que les ondes se propagent dans le film multicouche. Lorsque la longueur d'onde de la lumière dentrse est suffisamment grande par rapport à la période du film multicouche, seule une onde correspondant à la première bande (appelée dans la suite "lumière de la première banden) se propage. orsque la longueur d'onde de la lumière d'entrée diminue, des ondes d'ordre supérieur, telles que de la lumière de la troisième bande et de la cinquième bande, commencent à se propager successivement. Ainsi, une partie de l'énergie de la lumière d'entrée se propage toujours sous forme de lumière de la première bande quelle que soit la

longueur d'onde de la lumière d'entrée.

La lumière d'une bande d'ordre supérieur, par exemple - - de la troisième ou de la cinquième bande, présente une très grande dispersion en longueur d'onde résultant de la structure originale des bandes, alors que la lumière de la première bande présente de facon indésirable une faible dispersion en longueur d'onde. Ainsi, la lumière de la première bande est presque du gaspillage dans un élément spectroscopique. I1 est possible que la lumière de la première bande puisse constituer de la lumière parasite qui réduit le rapport signal-sur-bruit de l'élément et la

lumière de la première bande peut réduire le rendement pen-

dant l'utilisation de la lumière d'entrée.

L' invention a été mise au point pour la solution du problème précité et elle a pour objet la mise à disposition d'un élément optique ayant des propriétés spectroscopiques très efficaces obtenues par utilisation de lumière de bandes dordre élevé uniquement, et un dispositif spectroscopique

comprenant un tel élément optique.

Selon linvention, la lumière tombant sur une surface d'extrémité d'un cristal photonique unidimensionnel subit une modulation de phase avec la même période et le même sens que le cristal photonique, afin que seule de la lumière d'une bande spécifique dordre élevé se propage dans le cristal photonique. En conséquence, l'intensité de la

lumière émise par une surface du cristal photonique unidi-

mensionnel utilisé comme dispositif spectroscopique est accrue, c'est-àdire gue le rendement d'utilisation de la lumière d'entrée est accru. En outre, grâce à la structure ajoutée au cristal photonique, la lumière de sortie est distribuée d'un seul côté ou aux côtés opposés du cristal photonique, et ltintensité de la lumière de sortie est ajustée. Cette fonction est obtenue à l' aide de l'élément

optique suivant.

Un élément optique selon linvention comporte une structure multicouche qui contient une structure périodique dans au moins une première région, la structure périodique étant considérée comme un cristal photonique unidimensionnel présentant une répétition d'une période prédéterminée, dans lequel une surface d'extrémité de la structure multicouche pratiquement perpendiculaire aux surfaces des couches de la

structure est utilisée comme surface d'entrée de lumière.

'élément optique comporte en outre une unité de modulation de phase disposée afin qu'elle soit adjacente à la surface dentrée de lumière ou en butée contre celle-ci pour la création d'une onde modulée en phase de même période que la structure périodique dans la direction d'empilement de la structure multicouche. L'une au moins des deux surfaces de la structure multicouche qui sont parallèles aux surfaces des couches de la structure est utilisée comme surface de

sortie de lumière.

Inversement, une surface de la structure multicouche qui est pratiquement parallèle aux surfaces des couches de la structure peut être utilisse comme surface dentrée de lumière alors qu'une surface dextrémité de la structure multicouche pratiquement perpendiculaire aux surfaces des couches de la structure peut être utilisée comme surface de

sortie de lumière.

L'élément optique peut être formé afin qu'il remplisse la condition suivante: 0 < ks.\o/(2.ns2) < 1 \0 étant la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur lélément optique, ks étant la longueur d'un vecteur dune bande bande photonique couplée (qui nest pas la plus basse) du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde \0, et ns1 et ns2 (avec ns2 < nsl) étant les indices de réfraction des milieux respectifs qui viennent au contact des surfaces opposées de la structure multicouche. Dans ce cas, la lumière de sortie est créée aux

côtés opposés de la structure multicouche.

'élément optique peut être formé afin qu'il remplisse les conditions suivantes: O < ks.\o/(2.nel) < 1, et 1 < kseXo/ (2-nS2) Dans ce cas, la lumière de sortie ntest créée que du

côté du milieu d'indice de réfraction nal.

Une seconde partie de structure périodique peut être placée entre la partie de structure périodique et un milieu d'indice de réfraction ns daprès la condition:

0 < ks.\o/(2.ns) < 1.

Grâce à la seconde partie de structure périodigue, l'intensité de la lumière de sortie du côté du milieu peut

être réduite.

Une couche réfléchissante peut être placée entre la partie de structure périodique et un milieu d'indice de réfraction ns remplissant les conditions suivantes:

O < ks.\o/(2.ns) < 1.

Grâce à la couche réfléchissante, la lumière de sortie n'est pas créée du côté du milieu. De préférence, la couche réfléchissante est constituée par une partie de structure périodique différente de la partie de structure périodique

du cristal photonique.

Dans un autre aspect, linvention concerne un dispo-

sitif optique comprenant: une structure multicouche contenant une structure périodique ayant une répétition d'une période prédéterminée dans une direction d'empilement, la structure multicouche

ayant une première surface d'extrémité pratiquement perpen-

diculaire ou parallèle aux surfaces de couches de la structure multicouche et une seconde surface d'extrémité pratiquement perpendiculaire à la première surface d'extré mité de la structure multicouche, un dispositif transmettant de la lumière à la structure multicouche, et une unité de modulation de phase destinse à créor une onde modulée en phase ayant une période égale à celle de la

structure multicouche,.

dans lequel l'unité de modulation de phase est placée entre la structure multicouche et le dispositif transmettant de la lumière, et la lumière du dispositif transmettant de la lumière est transmise par la seconde surface dextrémité de la structure multicouche. Plus précisément, un dispositif optique jouant le rôle

d'un dispositif spectroscopique peut être formé par utili-

sation dun élément optique constitué par la structure multicouche, dune unité dentrée dun flux lumineux ayant un mélange de longueurs donde à une surface a extrémité de la partie de structure périodique et de la structure multicouche, et dune unité de détection des rayons lumineux transmis avec des angles différents d'après les longueurs

donde depuis la surface de sortie de lumière de la struc-

ture multicouche.

En outre, un dispositif optique jouant le rôle dun oscillateur laser contenant un résonateur extérieur peut être formé par utilisation d'un élément optique constitué par la structure multicouche, d'un laser à semiconducteur couplé optiquement à l'élément optique et dun miroir destiné à réfléchir la lumière provenant de l'élément optique afin que la lumière soit renvoyée à l'élément optique. Dans un mode de réalisation, la lumière provenant de la seconde face d'extrémité de la structure multicouche contient des rayons lumineux à des longueurs d'onde diffé- rentes, et les rayons lumineux sont réfractés à des angles

différents. Le dispositif optique peut comporter un arrange-

ment de capteurs qui recoit la lumière provenant de la seconde face dextrémité de la structure multicouche afin que l'intensité à chaque longueur d'onde soit mesurée individuellement. Dans un mode de réalisation, le dispositif de transmission de lumière comporte une couche active, et la lumière proenant de la seconde face d'extrémité de la structure multicouche est réfléchie par un miroir afin guelle revienne dans la structure multicouche, de sorte que la lumière à une longueur d'onde prédéterminée résonne comme

une onde oscillatoire.

D'autres caractéristiques et avantages de ltinvention

seront mieux compris à la lecture de la description qui va

suivre dexemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique représentant la propagation de lumière dans un film multicouche périodique; la figure 2 est un graphique représentant la structure de bandes photoniques (polarisation TE) du film multicouche périodique; la figure 3 est un graphique représentant la structure de bandes photoniques (polarisation TM) du film multicouche périodique; la figure 4 est une coupe schématique illustrant la propagation dans un film multicouche périodique placé entre deux sortes de milieux homogènes; la figure 5 est un schéma illustrant la réfraction à la limite entre des milieux homogènes; la figure 6 est un schéma illustrant la réfraction de la lumière de la bande couplée couplée qui se propage; la figure 7A est un schéma représentant le champ électrique dans la lumière qui se propage dans la première bande, et la figure 7B est un schéma qui représente le champ électrique de la lumière qui se propage dans la bande couplée; la figure 8 est un schéma illustrant la propagation de la lumière dans un film multicouche périodique ayant un réseau de phase; la figure 9 est un schéma illustrant divers types de paramètres utilisés pour les calculs des exemples; la figure 10 est un schéma dune configuration dans laguelle une couche réfléchissante est placée du côté du substrat du film multicouche périodique; la figure 11 est une we d'une configuration dans laquelle un second film multicouche est placé du côté du substrat du film multicouche périodique; la figure 12 est un schéma d'une configuration dans laquelle un second et un troisième film multicouches sont disposés sur les côtés opposés du film multicouche pério dique; la figure 13 est un schéma d'un mode de réalisation dans lequel la lumière réfractée est extraite du côté du substrat; la figure 14 est un schéma d'un autre mode de réalisation illustrant le cas dans lequel la lumière réfractée est extraite du côté du substrat; la figure 15 est un schéma illustrant un autre exemple dans lequel la lumière réfractée est extraite du côté du substrat; la figure 16 est une w e en perspective d'un exemple de configuration d'un circuit optique plan selon l'inven tion; la figure 17 est une we représentant le résultat d'une simulation donné par le calcul de l'exemple 1; la figure 18 est une w e d'un autre résultat de simulation obtenu avec le calcul de l'exemple 1; la figure 19 est un graphique permettant la comparaison du calaul de bandes réalisé avec les résultats de simulation de l'exemple 1 de calcul; la figure 20 représente le résultat de la simulation obtenu avec le calcul de l'exemple comparatif 1; la figure 21 est une vue représentant le résultat dune simulation avec le calcul de l'exemple 2; la figure 22 est un graphique permettant la comparaison du calcul des bandes avec le résultat de la simulation du calcul de l'exemple 2; la figure 23 est une vue représentant le résultat de la simulation du calcul de lexemple 3; la figure 24A est un schéma en perspective d'une partie principale d'un dispositif spectroscopique dans un exemple d'application de linvention, et la figure 24B est un schéma illustrant un système optique d'ouverture photographique du dispositif spectroscopique; et la figure 25 est un schéma en perspective représentant un dispositif laser à longueur d'onde variable contenant un résonateur externe dans un exemple d'application de

l' invention.

a figure 1 est une coupe représentant un film multi couche périodique constituant une structure fondamentale selon l' invention. Un film multicouche périodique 1 est formé sur une surface dun substrat plan à faces parallèles 2 (constitué d'un milieu M2). Par exemple, le film multicouche a une structure dans laquelle des couches d'une substance A dépaisseur tA (indice de réfraction nA) et des couches d'une substance B d'épaisseur tB (indice de réfraction nB) sont empilées à des intervalles de période a (= tA + tB). Une surface du film multicouche est adjacente

à un milieu M1 (par exemple l'air sur la figure 1).

Lorsquun flux lumineux 3 à une longueur d'onde \0 dans le vide tombe sur une surface d'extrémité la du film multicouche périodique de la figure 1, on analyse comment la lumière se propage dans le film multicouche. On constate par analyse que le film multicouche périodique joue le rôle dun cristal photonique tel que la lumière qui se propage

présente un effet original dans une condition prédéterminée.

La caractéristique de la lumière qui se propage dans le cristal photonique peut être connue lorsque des bandes photoniques sont calculées et tracées. Par exemple, un procédé de calaul des bandes a été décrit en détail dans louvrage "Photonic Crystals", Princeton University Press (1995) ou dans nPhysical Review B", vol. 44, n 16, page

8565, 1991.

On suppose gue le film multicouche périodique repré senté sur la figure 1 a une structure périodigue continue de manière indéfinie en direction Y (direction d'empilement) et s'étend de facon indéfinie dans les directions X et Z (directions des surfaces des couches). Les figures 2 et 3 représentent une première, une seconde et une troisième bande de polarisation TE (figure 2) et de polarisation TM (figure 3) calculées dans la direction d'axe Z (ou la direction d'axe X) pour une onde plane dans le cas o une structure multicouche dans laquelle les couches ayant les indices de réfraction suivants nA et nB sont empilées en alternance à des intervalles d'une période a: nA = 1,44 (tA = 0,5a) nB = 2,18 (tB = 0, 5a) L' expression "polarisation TE" désigne la polarisation - dans le cas o la direction du champ électrique est la direction daxe x alors que 1'expression "polarisation TM" désigne la polarisation dans le cas o la direction du champ

magnétique est la direction d'axe x.

Sur chacune des figures 2 et 3, l'axe horizontal indique la longueur du vecteur d'onde ks dans la direction daxe Z. et les ordonnées indiquent la fréquence norma lisée: ma/2c étant la fréquence angulaire de la lumière d'entrée, a la période de la structure et c la vitesse de la lumière dans le vide. La fréquence normalisée peut aussi être représentée par a/70, \0 étant la longueur d'onde de la lumière d'entrse dans le vide. La fréquence normalisée est appelée dans la suite a/0. Comme il n'existe aucune périodicité dans la direction daxe z, une zone de Brillouin s'étend sans fin et sans limite suivant laxe horizontal sur chacune des figures

2 et 3.

Comme ltindique la figure 2, le vecteur donde k correspondant à la première bande est présent dans le cristal photonique lorsque la longueur d'onde de la lumière d'entrée dans le vide est A - En d'autres termes, une onde à la longueur d'onde suivante (appelée dans la suite "lumière de la première bande"): la1 = 276/kA1 se propage dans le cristal photonique dans la direction d'axe Z. D'autre part, lorsque la longueur d'onde de la lumière dentrée dans le vide est B, il existe des vecteurs d'onde kB1 et kB2 qui correspondent à la première et à la troisième bande. La seconde bande est ignorée car elle est "décou plée''. Ainsi, la lumière de la première bande a une longueur d'onde B1 = 2/kB1 et une onde à une longueur donde B3 = 2/kB3 (appelée dans la suite "lumière de la troisième

banden) se propage dans le cristal photonique dans la direc-

tion d'axe Z. Par ailleurs, la théorie des bandes non couplées a été décrite en détail dans la communication de K. SaRoda, ''Optical Properties of Photonic Crystals",

Springer-Verlag (2001).

Des seconde et troisième bandes apparaissent par paire.

Lune est une bande couplée" et l'autre une bande non couplée''. Sur la figure 2, la seconde bande est non couplée

et la troisième couplée.

La valeur numérique obtenue par division dune longueur déonde (\A' B' etc. ) dans le vide par une longueur donde correspondante (\A1' B3' etc.) dans un cristal photonique est appelée dans la suite ''indice de réfraction efficace". Comme on peut le noter d'après les figures 2 et 3, l'indice de réfraction efficace pour la lumière de la première bande est pratiquement inchangé quel que soit le changement de \0 parce que a/0 (axe vertical) est presque proportionnel à ks (axe horizontal). L'indice de réfraction efficace des lumières des seconde et troisième bandes varie cependant beaucoup avec \0, si bien que lindice de réfraction efficace peut devenir inférieur à 1 comme l'indiquent clairement les

figures 2 et 3.

La figure 4 représente la lumière qui se propage dans la troisième bande (couplée) (indice de réfraction efficace n3) dans la direction d'axe Z et les milieux M1 (indice de réfraction nl) et M2 (indice de réfraction n2) adjacents aux surfaces opposoes de la structure multicouche périodique dans le cas o la lumière d'entrée à une longueur d'onde \0 tombe perpendiculairement sur une surface d'extrémité de la

structure multicouche périodique.

Lorsqu'un faisceau 3 à la longueur donde \0 dans le vide tombe sur une surface dextrémité du film multicouche 1, une partie de la lumière forme de la lumière guidée 4 à l'intérieur du film multicouche 1 et une partie de la lumière forme de la lumière réfractée 5 du côté du milieu M ou de la lumière réfractée 6 du côté du milieu M2. Les directions (d' angle 01 et 02) des rayons lumineux réfractés et 6 sont pratiquement constantes avec la longueur d'onde \0 si bien gue chacun des rayons réfractés 5 et 6 forme un pinceau ayant une très bonne directivité. En outre, comme les valeurs de 01 et 02 varient beaucoup avec le changement de longueur d'onde \0, lélément optique peut être utilisé comme élément spectroscopique avec un pouvoir élevé de résolution. Un procédé dans lequel la réfraction de la lumière à une limite entre deux milieux homogènes au point de vue de ltindice de réfraction est exprimée sur un tableau est maintenant décrit en référence à la figure 5. Des rayons RA qui avancent près de la surface limite du côté du milieu A entre le milieu homogène A d'indice de réfraction nA et le milieu homogène B d'indice de réfraction nB (nA < nB) et parallèlement à la surface limite sont libérés sous forme du rayon réfracté RB formant un angle vers le côté du milieu B. L'angle peut être déterminé d'après le tableau mettant en oeuvre deux cercles CA et CB dont les rayons sont

proportionnels à nA et nB respectivement.

Dans le cas d'un film multicouche périodique aussi, les angles 01 et 02 de réfraction peuvent être déterminés d'après un tableau (figure 6) formé par utilisation de l'indice de

réfraction efficace neff de la manière décrite précédemment.

Si n3 est supérieur à n1 et supérieur à n2, la lumière qui se propage dans la troisième bande peut être confinée à l'intérieur du film multicouche 1 par réflexion totale à la limite. En conséquence, la propagation de la lumière de la troisième bande est continue à l'intérieur du film multicouche 1 parce que la lumière de la troisième bande ne peut

pas sortir vers les côtés des milieux M1 et n2.

Bien que la lumière de la première bande donne une dispersion en longueur d'onde avec la même amplitude que dans un milieu homogène général, la lumière de la troisième bande présente une très grande dispersion en longueur d'onde parce que l'indice de réfraction efficace varie beaucoup avec la longueur d'onde de la lumière d'entrée comme décrit précédemment. Ceci constitue une sorte d'effet dit "super prisme". Cet effet de superprisme a été proposé dans le document "Physical Review B", vol. 58, n 16, page a10096, 1998. Bien qu'elle ne soit pas représentée sur les figures 2 et 3, la quatrième bande ou bande d'ordre supérieur présente une grande dispersion en longueur d'onde. Une bande d'ordre inférieur, telle que la seconde bande ou la troisième bande, est cependant utilisée de préférence car le nombre de "noeuds", décrits dans la suite, augmente dans les bandes d'ordre supérieur. Comme il est cependant impossible dutiliser une bande ''non couplée quelconque comme décrit

précédemment, la bande préférée est la "seconde bande cou-

plée depuis la bande la plus basse". Sur les figures 2 et 3, la troisième bande correspond à la seconde bande couplée.

Comme le film multicouche périodique représenté sur la figure 1 présente une grande différence entre la structure dans la direction d'axe X et la structure dans la direction d'axe Y. l'indice de réfraction efficace varie avec la direction de polarisation. Ceci apparaît clairement daprès le fait que le graphique de polarisation TE de la figure 2 est différent du graphique de polarisation TM de la figure 3. Ainsi, la lumière qui se propage dans le film multicouche

périodique a une fonction de séparation de lumière polari-

sée. Par exemple, le film multicouche périodique peut être utilisé de manière que le démultiplexage et la séparation de la lumière polarisée avec la longueur d'onde puissent être réalisés simultanément. Ainsi, des fonctions qui sont obtenues par combinaison d'un réssau de diffraction et dun élément de séparation de lumière polarisée peuvent être obtenues avec un seul élément, si bien qu'un système optique

peut être simplifié.

Dans le cas d'un cristal photonique unidimensionnel cependant, la différence entre les modes TE et TM dans une bande d'ordre élevé (seconde bande ou bande d'ordre supé rieur) dans la région dans laquelle ks est petit (région proche de l'axe vertical sur les figures 2 et 3) est très petite, si bien que la caractéristique de polarisation dans

cette région peut être pratiquement ignorée.

Comme l'indique la figure 6, les rayons lumineux réfractés peuvent être extraits aux côtés opposés du film multicouche 1. Lorsque l'indice de réfraction du milieu M1 est inférieur à celui du milieu n2, le mode de réfraction peut être classé suivant trois conditions: (1) les rayons réfractés ne sont crsés ni du côté du milieu M1 ni du côté du milieu M2, (2) les rayons réfractés sont créés uniquement du côté du milieu n2, et (3) les rayons réfractés sont créés à la fois aux côtés

des deux milieux M1 et M2.

Lorsque les rayons réfractés doivent être concentrés

dun seul côté, la condition (2) doit être sélectionnée.

Lorsque les rayons réfractés doivent être utilisés indivi-

duellement des deux côtés, la condition (3) doit être sélectionnée. I1 est évident que des rayons réfractés égaux par leur angle de réfraction peuvent être extraits des deux côtés lorsque les deux milieux sont formés d'une seule substance. Plus précisément, lorsque les indices de réfraction des milieux M1 et n2 sont n1 et n2 respectivement (n1 < n2), la condition (2) peut être obtenue lorsque les relations sui vantes sont obtenues: O < ks.\o/(2.n2) < 1, et 1 < kS.\o/ (2C.nl) La condition (3) peut être obtenue lorsque les relations suivantes sont obtenues: O < ks. \o/(2.nl) < 1, et 0 < ks.\O/(2-n2) < 1 D'après la simulation des inventeurs, des rayons réfractés particulièrement intenses peuvent être obtenus

lorsque l' angle de réfraction est compris entre 20 et 60.

Ainsi, il est en outre avantageux que la condition suivante déétablissement de l' angle de réfraction entre 20 et 60 soit respectée: cos60 < ks.\o/(2.n) < cos20

n désignant ns1 ou ns2.

Comme décrit précédemment, une très grande dispersion en longueur d'onde peut être obtenue lors de l'utilisation de lumière d'ordre supérieur. Comme l'indiguent clairement

les figures 2 et 3, la lumière de la première bande cepen-

dant se propage toujours par exemple lorsque la lumière de la troisième bande se propage. Comme la lumière de la première bande a un petit effet de dispersion en longueur d'onde comme décrit précédemment, elle ne constitue rien dautre que des pertes lors de l'utilisation de la lumière de la troisième bande. La lumière de la première bande joue le rôle de lumière parasite qui réduit le rapport signal sur-bruit de l'élément et provoque une grande réduction du rendement pendant l'utilisation de l'énergie lumineuse incidente. D'après les études des inventeurs, seule la lumière d'une bande d'ordre supérieur, par exemple de la troisième bande, peut cependant se propager dans le film multicouche périodique lorsque la lumière d'entrée subit une modulation

de phase.

es figures 7A et 7B représentent par exemple l'inten-

sité du champ électrique dû à la lumière de la première bande et à la lumière de la troisième bande couplée dans la direction d' axe Z dans un film multicouche périodique (période a) sous forme d'un empilement de substances A et s qui alternent. Sur les figures 7A et 7B, les traits pleins

représentent les pics du champ électrique, les traits inter-

rompus représentent les creux du champ électrique, et

l'épaisseur de chaque trait correspond à l' amplitude.

Dans le cas de la lumière de la première bande comme indiqué sur la figure 7A, lamplitude du champ électrique dans le milieu A est différente de celle qui obtenue dans le milieu B parce que les pics et les creux du champ électrique sont formés dans des plans respectifs perpendiculaires à l'axe Z. En conséquence, la lumière de la première bande se

propage comme une onde presque plane.

Dans le cas de la lumière qui se propage à cause de la

seconde bande couplée depuis la bande la plus basse (ctest-

à-dire la troisième bande dans ce cas) cependant, comme l'indique la figure 7B, des "noeuds" auxquels lamplitude du champ électrique est nulle sont formés si bien qu'une période de structure dans la direction Z est divisée en deux régions. Comme des régions adjacentes diffèrent par la phase de londe d'une demi-longueur donde, des pics et des creux apparaissent en alternance. Dans la lumière qui se propage dans une bande dordre supérieur, le nombre de noeuds dans une période augmente, d'une manière non représentée, si bien qu'un décalage d'une demi-longueur d'onde se produit

fréquemment dans une période.

Ainsi, deux sortes de lumières qui se propagent en présence de la lumière d'entrse à une longueur d'onde (par exemple B sur la figure 2) liée à la fois à la première et à la troisième bande se recouvrent si bien qu'un diagramme complexe du champ électrique est créé (la figure 20

représente cet exemple).

Par ailleurs, lorsqu'une onde plane 7 est importée dans un réseau de phase 8 pour la création d'une différence d'une demi-longueur donde environ dans une période a dans la direction Y comme indiqué sur la figure 8, un diagramme de champ électrique analogue à celui de la lumière qui se propage dans la troisième bande de la figure 7B peut être produit dans l'espace 10. I1 apparaît ainsi, d'après la simulation des inventeurs, que seule la lumière qui se propage dans la troisième bande peut être créée sans création de lumière qui se propage dans la première bande

lorsqu'une surface d'extrémité du film multicouche pério-

dique 1 est placée dans cet espace 10. Le fait que "seule la lumière appartenant à une bande spécifique d'ordre supérieur peut être obtenue lorsqu'une onde modulée convenablement en phase de période a dans la direction périodique d'un film

multicouche de période a est importée dans le film multi-

couche" peut être généralisé d'après ce résultat.

On décrit maintenant dans la suite plus précisément

l'état de l'unité de modulation de phase.

La plus simple unité de modulation de phase est un réseau de phase 8 de méme période que le film multicouche périodique 1. De façon générale, le réseau de phase 8 teL que représenté sur la figure 9 peut être incorporé. Suivant

la simulation des inventeurs, il faut optimiser la caracté-

ristique de modulation de phase (telle que les valeurs des épaisseurs tc, tD, L, G. etc. de la figure 9) d'après la

caractéristique du film multicouche périodique 1, ctest-à-

dire le rapport des épaisseurs des couches, les indices de réfraction des couches, etc. Comme la modulation de phase doit être synchronisée sur la période du film multicouche, il faut remplir les conditions suivantes: ( 1) tA + tB = tC + tD, (2) le centre en direction Y du milieu A coïncide avec le centre en direction Y du milieu C, et (3) le centre en direction Y du milieu B coïncide avec le centre en direction Y du milieu D. Comme la longueur de lespace 11 compris entre le réseau de phase 8 et le film multicouche périodique 1 a aussi une influence sur la lumière qui se propage, la longueur de lespace 11 doit être sélectionnse afin qu'elle se trouve dans une plage optimale. Si la période a du film multicouche ne dépasse pas la longueur donde \0 de la lumière dans le vide, la lumière diffractée de l'ordre +1 par le réseau de phase 8 ne peut pas se propager lorsque lintervalle compris entre le réssau de phase 8 et le film multicouche périodique 1 est une couche d' air. En conséquence, la quantité de lumière réfléchie augmente. Pour que l' augmentation de quantité de lumière réfléchie soit évitée, on peut utiliser le remplissage de l'espace 11 de

l'intervalle par un milieu dindice de réfraction élevé nG.

Plus précisément, il est avantageux de respecter la rela-

tion: o/nG < a Pour la mise en oeuvre de l' invention, un procédé dans lequel une gorge est formée près d'une surface d'extrémité du film multicouche périodique afin qu'une partie du film multicouche soit directement utilisée comme réseau de phase est commode en pratique. Ce cas équivaut au cas dans lequel les conditions suivantes sont respectées dans le cas de la figure 9: (1) le milieu A est le même que le milieu C, (2) le milieu B est le même que le milieu D, (3) t = tc, et (4) tB = tD 'épaisseur du réseau de phase et la largeur de la gorge doivent être ajustées afin que seule la lumière-de la troisième bande puisse se propager efficacement. a partie de gorge peut être placée directement sous forme d'une couche d'air ou peut être remplie d'un milieu homogène

respectant les conditions précitées.

orsque la partie de structure périodique de la structure multicouche selon l' invention est formée de deux sortes de substances comme indiqué sur la figure 1, la

situation est la plus simple. Une augmentation de la disper-

sion et de la caractéristique de polarisation et une augmentation du rendement pendant l'utilisation de la lumière dentrée peuvent être favorisées lorsque l'indice de réfraction moyen et la structure de bande sont ajustés par les moyens suivants: (1) un dispositif qui change le

rapport des épaisseurs entre les deux couches, (2) un dispo-

sitif qui donne au moins trois couches, ou (3) un dispositif

qui utilise au moins trois sortes de matériaux des couches.

Par ailleurs, les indices de réfraction et épaisseurs des

couches respectives doivent avoir une périodicité prédéter-

minse. Méme dans le cas o chaque couche constituant le film multicouche a un indice de réfraction qui varie de facon continue, la caractéristique du film multicouche peut rester pratiquement constante lorsque la différence d'indice de réfraction reste constante. En général, la partie de structure périodique est constituée par un stratifié de m sortes (m est un nombre entier) de substances. On suppose maintenant que n1, n2,... nm sont les indices de réfraction des substances 1, 2,...m constituant une période et que tl, t2,...tm sont les épaisseurs des substances 1, 2,.. .m respectivement. L'indice

de réfraction moyen nM par période de la structure multi-

couche à la longueur donde utilisée est défini par l'équation: nM = (t1. nl + t2.n2 +.. tmnm)/a a étant une période représentée par l'équation: a = t1 + t2 +. tm Seule la première bande est présente (voir figures 2 et 3) lorsque lindice de réfraction moyen nM de la partie de structure périodique remplit globalement la relation suivante: a/0 < 0,5/nM En conséquence, pour l'utilisation de la seconde bande ou d'une bande supérieure, la période a de la structure multicouche doit correspondre à la relation suivante pour la longueur d'onde utilisée \0: \0/2nM < a

Si la période a est inférieure à \0/2nM, la caracté-

ristique de la structure multicouche devient proche de celle d'un milieu homogène ayant un indice de réfraction moyen car aucune lumière autre que celle de la première bande ne se propage. Comme ltindiquent les calauls des exemples décrits dans la suite, une onde peut être particulièrement désordonnée lorsque le film multicouche est très mince. Il est donc avantageux que le nombre de périodes du film multicouche soit sélectionné à une valeur qui nest pas inférieure à 10

et en particulier à 15 si possible.

Le matériau du film multicouche utilisé selon linven-

tion n'est pas particulièrement limité du moment gue la transparence peut être obtenue certainement dans la plage des longueurs d'onde utilisées. Par exemple, un matériau tel que la silice, le silicium, l'oxyde de titane, l'oxyde de tantale, l'oxyde de niobium ou le fluorure de magnésium utilisés de façon générale comme matériaux de film multicouche et ayant d'excellentes propriétés de durabilité et de coût de formation des couches, peuvent être utilisés de préférence. Le matériau peut constituer facilement un film multicouche par mise en oeuvre d'un procédé bien connu tel que la pulvérisation cathodique, le dépôt sous vide en phase vapeur, le dépôt en phase vapeur en présence d' ions et

le dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma.

Etant donné que la dispersion en longueur donde ou analogue a tendance à augmenter lorsque le rapport des indices de réfraction des matériaux du film multicouche aug mente, il est avantageux qu'un matériau d'indice de réfrac tion élevé et un matériau de faible indice de réfraction

soient utilisés en combinaison lorsqu'une telle caracté-

ristique est nécessaire. Par exemple, lorsque de ltair (indice de réfraction 1) et InSb (indice de réfraction 4,21) sont utilisés comme matériaux de faible indice et d'indice élevé de réfraction respectivement, un rapport d'indice de réfraction qui nest pas inférieur à 4 peut être obtenu en pratique (voir ''Micro-Optics Handbook", page 224, 1995,

Asahura Shoten).

Comme la différence caractéristique due à la direction de polarisation a tendance à diminuer lorsque le rapport des indices de réfraction des matériaux du film multicouche diminue, une combinaison à faible rapport dindice de

réfraction est aussi utile pour lobtention d'une indépen-

dance par rapport à la polarisation. Comme la fonction de modulation peut cependant être réduite si bien que le fonctionnement prévu ne peut pas être obtenu lorsque le

rapport dindice de réfraction est trop faible, il est avan-

tageux qutun rapport d'indice de réfraction qui ntest pas

inférieur à 1,2 soit assuré.

La gorge placée près d'une surface d'extrémité du film multicouche peut être formée par le procédé général dapplication d'une couche d'un matériau de réserve, de mise sous forme de motifs, d'attaque, et d'enlèvement de la couche du matériau de réserve, après empilement du film multicouche. De l'air ou du vide dans la partie de gorge

peut être utilisé comme matériau de faible indice de réfrac-

tion ou la partie de gorge peut être remplie d'un milieu.

Comme matériau du milieu, on peut utiliser une résine organique, un matériau vitreux à l'état de sol, un matériau semi-conducteur fondu, etc. e matériau vitreux à l'état de sol peut être gélifié puis chauffé pour former un verre transparent. Lorsque des matériaux sont convenablement sélectionnés, le résultat selon l' invention peut être obtenu dans une gamme de longueurs donde allant d' environ 200 nm à environ

m qui est utilisée de façon générale.

Le matériau du substrat utilisé pour le film multi-

couche ntest pas particulièrement limité lorsque l'indice de réfraction du matériau est dans une plage qui ne présente pas de fuite de la lumière qui se propage. Des exemples de matériaux utilisés de préférence sont un verre sodocalaique, un verre doptique, la silice, le silicium et un composé semi-conducteur tel que l'arséniure de gallium. Lorsque les restrictions dues aux caractéristiques en température ou analogues sont faibles, une matière plastique peut être

utilisée comme matériau du substrat.

Une structure dite à couplage d'air constituée unique-

ment par le film multicouche, sans aucun substrat, peut

aussi être utilisée.

Comme décrit précédemment, lorsque la lumière réfractée doit sortir d'un seul côté de la structure multicouche et être utilisée, un milieu à faible indice de réfraction M (couche d'air) et un milieu d'indice de réfraction élevé M2 (substrat) peuvent être disposés comme l'indique la figure 6. Dans la forme la plus simple dans ce cas, la période a de la structure périodique peut être ajustée afin que la lumière réfractée puisse être concentrée du côté du substrat sans création de lumière réfractée du côté M1. L'indice de réfraction du film multicouche doit cependant être supérieur

à 1. Lorsque la lumière diffractée doit être retirée unique-

ment dun seul côté avec la condition selon laquelle lindice efficace de réfraction du film multicouche ne dépasse pas 1, il est donc nocessaire de disposer une couche réfléchissante quelconque entre le film multicouche et l'un

des milieux.

a figure 10 représente une structure dans laquelle une couche réfléchissante 12 (par exemple un film métallique)

est placée entre le substrat 2 et le film multicouche 1.

Dans cette configuration, la lumière 3 d'entrée qui tombe sur le réseau de phase 8 est soumise à l 'action du réseau de phase 8 puis importée à une surface du film multicouche 1 qui est pratiquement perpendiculaire aux surfaces des couches du film multicouche 1 par l'espace 11. Dans le film multicouche 1, la lumière 4 pratiquement constituée de la seule lumière de la troisième bande se propage efficacement en direction parallèle aux surfaces des couches. a lumière réfractée 5 est concentrée et transmise uniquement du côté de l'air grâce au fonctionnement de la couche réfléchissante 12. a figure 11 représente une structure dans laquelle un second film multicouche 13 est placé entre le substrat 2 et le film multicouche 1. D'autres parties sont désignéss par les mêmes références numériques que sur la figure 10 et leur

description est omise (cette règle s'applique dans la

suite). orsquune bande photonique qui correspond à la lumière qui se propage dans une bande quelconque d'ordre supérieur dans le premier film multicouche 1 est absente

dans le second film multicouche 13, le second film multi-

couche 13 a pour fonction de confiner la lumière qui se propage. Un procédé dans lequel le second film multicouche est formé du même matériau que le premier film multicouche mais avec une période ou un rapport d'épaisseurs différents de ceux du premier film multicouche, constitue la plus simple des formes pour la simplification du procédé de réalisation du film. Plus précisément, la période du second film multicouche par exemple peut être sélectionnée afin qu'elle soit inférieure à la période a du premier film multicouche si bien que la bande d'ordre supérieur correspondant à la fréquence de la lumière qui se propage peut être éliminée. Comme l'indiquent les exemples de calcul décrits dans la suite, le champ électrique de la lumière qui se propage s'échappe comme lumière évanescente dans le second film multicouche. Pour que le confinement soit assuré, il faut augmenter 1'épaisseur (cest-à-dire le nombre de périodes)

du second film multicouche à un certain degré.

La figure 12 représente le cas dans lequel un troisième film multicouche 14 est placé d'un côté auquel la lumière réfractée 5 est extraite. Le troisième film multicouche 14 est un peu mince (faible nombre de périodes) . Ainsi, le confinement de la lumière qui se propage est tellement imparfait que le troisième film multicouche 14 a une fonction d'affaiblissement de l'intensité de la lumière réfractée 5. Comme la quantité totale de lumière réfractée est inchangée bien que l'intensité de lumière réfractée soit réduite, la plage de rayonnement de la lumière réfractée dans la direction d'axe Z est élargie. Ainsi, comme le flux lumineux de la lumière réfractée 5 devient plus épais et réduit la dispersion due à la diffraction, le troisième film multicouche 14 augmente efficacement le pouvoir de

résolution en longueur donde.

On décrit maintenant un procédé d' extraction de lumière

réfractée d'une surface du film multicouche.

Lorsque la lumière réfractée doit être extraite uniquement du côté du substrat, l' interface du substrat et de ltair peut être utilisée pour la formation de

configurations telles qu'indiquées sur les figures 13 à 15.

La figure 13 représente le cas dans lequel la lumière réfractée 5 du côté du substrat 2 est encore réfractée par une surface d'extrémité 2a du substrat. Sur la figure 13, la différence angulaire de dispersion en longueur d'onde à l'air devient plus grande que dans le substrat. La figure 14 représente le cas dans lequel la surface d'extrémité 2a du substrat est inclinse si bien que la dispersion en longueur

d'onde à l'air peut être rendue maximale. En outre, lors-

qu'un milieu ayant une surface inclinée est lié à un substrat à surfaces planes parallèles, le même effet que précédemment peut être obtenu. La figure 15 représente le cas dans lequel une couche réfléchissante 12 est placée à la surface du côté de l'air de la même structure que sur la

figure 13.

La figure 16 représente un exemple dans lequel le système optique est formé par un circuit optique en forme de plaque plate si bien que le traitement optique peut être réalisé uniquement en direction parallèle à une surface du substrat. Une structure multicouche 31 ayant une périodicité en direction parallèle à la surface du substrat est formée sur un substrat plan 32. Lorsqu'une gorge 40 est formée dans une partie d'extrémité de la structure multicouche 31, un réseau de phase 38 peut être incorporé. Lorsque la lumière dentrse 3 se propage dans la structure multicouche 31, la lumière réfractée 5 d' angle 01 qui dépend de la longueur donde est transmise parallèlement au substrat 32 depuis une

surface 31b de la structure multicouche 31.

Dans un exemple de structure multicouche, on utilise

une structure dans laquelle des gorges profondes perpendicu-

laires à la surface du substrat et parallèles les unes aux autres sont formées dans une substance homogène sur le substrat 32. Dans ce cas, ltair ou le vide de la partie de gorge peut être utilisé comme matériau de faible indice de réfraction ou la partie de gorge peut être remplie dun milieu quelconque. Comme matériau du milieu de remplissage, on peut utiliser une résine organique, un matériau de verre à létat de sol, un matériau semi-conducteur fondu, etc. e matériau de verre à l'état de sol peut être gélifié puis

chauffé afin qu'il forme un verre transparent.

La configuration selon linvention peut être utilisée

lorsque les lumières d'entrée et de sortie sont échangées.

Ainsi, dans le cas o la lumière d'entrée de longueur d'onde \0 dans le vide tombe sur une surface parallèle aux surfaces des couches de la structure multicouche, la lumière peut se propager en direction parallèle aux surfaces des couches de la structure multicouche et la lumière de sortie peut être obtenue à une surface d'extrémité en direction pratiquement perpendiculaire aux surfaces des couches de la structure multicouche uniquement loreque la lumière d'entrée est

* importée à un angle prédéterminé.

On décrit dans la suite les exemples particuliers de

configuration selon l' invention.

Exemles de calcul La propagation et la réfraction de la lumière à l'intérieur d'un cristal photonique unidimensionnel combiné à un réseau de phase sont simulées par la méthode des éléments finis. Les résultats de la simulation sont énumérés dans la suite. Un logiciel utilisé est le logiciel JMAG

réalisé par The Japan Research Institute, Limited.

On utilise un modèle de calcul représenté sur la figure 9. Le cristal photonigue unidimensionnel est formé avec une structure analogue à un film multicouche 1 dans lequel des couches d'un milieu homogène A et des couches d'un milieu homogène B sont empilées en alternance. Si l'on appelle a une période du film multicouche 1, tA.a et tB.a l'épaisseur dune couche du milieu A et d'une couche du milieu s respectivement, nA et nB des indices de réfraction des milieux A et B. on dispose d'un réseau de phase 8 afin gu'il soit séparé d'une distance G d'une section verticale du cristal photonique, et un espace 11 compris entre le cristal photonique et le réseau de phase est rempli d'un milieu

homogène dindice de réfraction nG.

Une période dans le réssau de phase 8 constitué par les milieux C et D est égale à celle gui est obtenue dans le film multicouche 1. Si l'on appelle tC.a et tD.a l'épaisseur de la couche du milieu C et celle de la couche du milieu D respectivement, et nc et nD les indices de réfraction des milieux C et D respectivement, la longueur L désigne la longueur du réseau de phase 8 dans la direction d'ane Z.

Un espace d'indice de réfraction nS est placé à l'exté-

rieur du réseau de phase 8. Une onde plane (onde polarisée linéairement) de longueur d'onde \0 dans le vide tombe

perpendiculairement sur le réseau de phase 8 par cet espace.

Exemle de calcul 1 a structure représentée sur la figure 9 a été soumise à une simulation d'ondes électromagnétiques dans le cas o la longueur donde de la lumière d'entrée varie avec les conditions indiquées dans le tableau 1. Dans les exemples de calaul qui suivent et les exemples comparatifs, toutes les

longueurs sont normaliséss en référence à la période a.

Tableau 1

Configuration du film multicouche (exemple de calcul 1) Couche Epaisseur de Indice de n couche réfraction Couche d'air l 1,00 Partie de 1 0,20 a 2, 18 structure 2 0,80 a 1,44 périodique 3 0,20 a 2,18 4-21 Répétition de Répétition de 0,80 a et 0,20 a 1,44 et 2,18 Substrat 1,44 Epaisseur de la partie du réseau de phase: L = 0,811 a Espace entre le réseau de phase et la surface d'incidence du film multicouche: G = 0,80 a Indice de réfraction de lespace de la partie dintervalle: nG = 1,44 Indice de réfraction de lespace du côté d' incidence: nS = 1,00 Conditions de la lumière incidente: Longueur d'onde dans le vide: \0 = 1,2 a, 1,3 a Polarisation: polarisation TE (direction du champ électrique = direction d'axe X) Onde plane équivalant à un rétrécissement d'un faisceau gaussien d'ouverture numérique NA = 0,1 Dans les résultats de la simulation, les distributions dintensité du champ électrique et les angles de la lumière réfléchie sont indiqués sur la figure 17 (dans le cas o \0 = 1,2 a) et 18 (dans le cas o \0 = 1,3 a). I1 est évident quil existe peu de lumière de la première bande car la lumière qui se propage dans le film multicouche 1 est rendue nodulaire et réqulière grâce au réseau de phase 8. Comme lindice de réfraction efficace pour la lumière qui se propage a une valeur comprise entre 1,00 et 1,44, la lumière réfractée 6 n'est créée que du côté du substrat 2 qui a un indice élevé de réfraction. En outre, l 'angle 02 de la lumière réfractée 6 du côté du substrat varie beaucoup pour une petite différence en longueur d'onde de la lumière

d'entrse 3. La figure 19 représente les résultats dune simulation relative au

changement d' angle 02 de réfraction d'après la longueur d'onde de la lumière incidente kO/a comprenant une autre longueur d'onde de la lumière d'entrée gue les longueurs d'onde précitées. e changement angulaire de la lumière réfractée 6 du côté du substrat est d' environ 0,69 pour A\0 = 1 %. I1 est évident qu'une grande dispersion en

longueur d'onde est obtenue.

Par ailleurs, l'expression "calcul de bande" utilisée en référence à la figure 19 désigne une valeur calaulée daprès l'indice de réfraction efficace obtenu avec un

diagramme de bandes suivant la méthode de l'onde plane.

Exemule de calcul comnaratif 1 La figure 20 représente un résultat de simulation dans le cas o la partie du réseau de phase est retirée de l'exemple de calcul 1. Par ailleurs, le résultat de la simulation est représenté uniquement dans le cas o la longueur d'onde dans le vide \0 de la lumière dentrée 3 est

égale à 1,2 a.

Sur la figure 20, la lumière qui se propage à une courte longueur d'onde due à la première bande et à une grande longueur donde due à la troisième bande se recouvrent. Ainsi, le diagramme du champ électrique de la figure 20 devient plus complexe que sur la figure 17. I1 est aussi évident par comparaison des figures 20 et 17 que l'intensité de la lumière diffractée 6 est réduite en fonction de l'intensité réduite de la lumière de la

troisième bande.

Exemle de calcul 2 'exemple représente le cas dans lequel une seconde partie de structure périodique 13 de courte période est disposée entre le film multicouche périodigue 1 et le substrat 2 pour empêcher la sortie de lumière du côté du substrat 2. La configuration du film multicouche est

indiquée dans le tableau 2.

Tableau 2

Configuration du film multicouche (exemple de calcul 2) Couche Epaisseur de Indice de n couche réfraction Couche d'air. 1,00 Partie de 1 0,80 a 1, 44 structure 2 2 18 périodique 0,20 a, 3-24 Répétition de Répétition de 0, 80 a et 0,20 a 1,44 et 2,18 Seconde 25 0,448 a 1,44 partie de 26 0,112 a 2,18 structure périodique 27-44 népétition de népétition de 0,448 a et 0,112 a 1,44 et 2,18 Substrat _ _ 1,44 Epaisseur de la partie du résaau de phase: L = 0,622 a Espace entre le réseau de phase et la surface dincidence du film multicouche: G = 0,80 a Indice de réfraction de l'espace de la partie dintervalle: nG = 2,00 Indice de réfraction de l'espace du côté d' incidence: nS = 1, 00 Conditions de la lumière incidente: Longueur donde dans le vide: 0 = 1,66 a Polarisation: polarisation TE (direction du champ électriue = direction daxe X) Onde plane équivalant à un rétrécissement d'un faisceau gaussien d'ouverture numérique NA = 0,1

A la suite de la simulation, la distribution d'inten-

sité du champ électrique dans le cas \0 = 1,66 a est indiguée sur la figure 21. L'indice de réfraction efficace pour la lumière gui se propage est denviron 0,37 qui est une valeur inférieure à 1. La lumière réfractée est faiblement créée du côté du substrat 2 par la seconde structure périodique 13 si bien gu'une lumière réfractée intense 5 est crée du côté de l'air. La figure 22 représente le résultat d'une simulation relative au changement de l'angle 02 de réfraction avec la longueur donde de la lumière incidente O/a. Le changement angulaire de la lumière 5 réfractée du côté de l'air est d' environ 3,1 pour Ak0 = 1 %. I1 est évident gu'une très

grande dispersion en longueur d'onde est obtenue.

Exemle de calcul 3 Cet exemple correspond au cas o une troisième partie de structure périodigue 14 de courte période est en outre placée entre le film multicouche périodigue 1 et la couche dair, en plus de la configuration indiquée par l'exemple de calcul 2, afin gue ltintensité de la lumière réfractée sur la couche d' air soit réduite. a configuration du film

multicouche est indiguée dans le tableau 3.

Tableau 3

Configuration du film multicouche (exemple de calcul 3) Couche Epaisseur de Indice de n couche réfraction Couche d'air _ _ 1,00 Troisième 1 0,112 a 2,18 partie de 0,448 a 1,44 structure périodique 3-10 Répétition de Répétition de 0,112 a et 0,448 a 2,18 et 1,44 Partie de 11 0,80 a 2,18 structure périodique 12-35 Répétition de Répétition de 0,80 a et 0,20 a 1, 44 et 2,18 Seconde 36 0,448 a 1,44 partie de 37 0,112 a 2,18 structure périodique 38-55 Répétition de Répétition de 0,448 a et 0,112 a 1,44 et 2, 18 Substrat 1,44 Epaisseur de la partie du réssau de phase: L = 0,622 a Espace entre le réseau de phase et la surface d'incidence du film multicouche: G = 0,800 a Indice de réfraction de l'espace de la partie d'intervalle: nG = 2,00 Indice de réfraction de ltespace du côté d' incidence: ns = 1,00 Conditions de la lumière incidente: Longueur donde dans le vide: \0 = 1,66 a Polarisation: polarisation TE (direction du champ électrique = direction d'axe X) Onde plane équivalant à un rétrécissement d'un faisceau gaussien d'ouverture numérique NA = 0,1 A la suite de la simulation, une distribution dinten sité du champ électrique dans le cas \0 = 1,66 a est indiquée sur la figure 23. La comparaison des figures 23 et 21 indique clairement que l 'angle 01 de réfraction de la lumière rétractée 5 du côté de lair ntest pas modifié mais que l'intensité de la lumière réfractée S est fortement réduite par la troisième structure périodique 14 placoe du côté de ltair. Exemle danulication 1: disositif sectrosconi"ue La figure 24A est une vue de la partie principale dun appareil de contrôle de longueur d'onde dans un exemple d'application de ltinvention à la mesure individuelle de lintensité à chacune de plusieurs longueurs d'onde dun signal multiplexé en longueur d'onde. La figure 24s est un exemple de systéme optique d'ouverture photographique de

l'appareil de contrôle de longueur d'onde.

Une gorge 10 est formoe près d'une surface d'extrémité du film multicouche 1 si bien que la face externe de la gorge est utilisée comme partie de réseau de phase 8. De la lumière d'entrée 3 tombe sur la partie de réseau de phase 8 alors qu'une âme d'une fibre optique 15 (faisant partie d'un dispositif de transmission de lumière) est en butée contre une surface d'extrémité directement contre la partie du réseau de phase 8. Pendant que la lumière d'entrée 3 se propage sous forme de lumière de la troisième bande dans le film multicouche 1 grâce à la partie du réseau de phase 8, la lumière qui se propage est extraite progressivement sous

forme de lumière réfractée 6 à une surface du film multi-

couche 1. La figure 24A représente le cas dans lequel la lumière réfractée 6 est extraite du côté du substrat 2. Si la lumière d'entrue 3 provenant de la fibre optique 15 contient des signaux à plusieurs longueurs d'onde, des rayons lumineux à des longueurs d'onde respectives forment

des pinceaux de rayon lumineux réfracté d' angles différents.

Comme les rayons de lumière réfractée 6 sont focalisés sur des taches qui diffèrent avec les longueurs donde par le système optique d'ouverture photographique 16 représenté sur la figure 24B, l'intensité de chaque tache peut être

mesurée individuellement par un arrangement 17 de capteurs.

Par ailleurs, chaque partie 6a de sortie de la lumière réfractée 6 est remarquablement elliptique comme l'indique la figure 24A, si bien que chaque lumière de sortie 6b forme aussi un faisceau gaussien presque elliptique. En conséquence, comme l'indique la figure 24B, la forme de chaque faisceau de sortie 6b est modifiée par une lentille cylindrique 16 si bien qu'une tache focalisoe plus proche

d'un cercle peut être obtenue.

S Exemule d'aDlication 2: résonateur externe d'un laser La figure 25 est un exemple de vue d'un dispositif laser à semi-conducteur contenant un résonateur externe dans

un exemple d'application de l'invention.

Une couche active 19 analogue à un guide donde constituant un dispositif de transmission de lumière et un film multicouche 1 sont formés sur un substrat 2. Un miroir est placé d'un seul côté de la couche active 19. Des électrodes 22 sont dispososs aux côtés opposés de la couche active 19. Une oscillation laser est exécutée. (Une partie dalimentation ntest pas représentée sur la figure 25). La lumière provenant du côté du film multicouche de la couche active 19 se propage dans le film multicouche 1 à travers le réssau de phase 8 et lespace 11 si bien que la lumière réfractée 5 est transmise par une surface lb du film multicouche 1. Un miroir 21 est placé dans l'espace. Une partie seulement de la lumière de longueur d'onde spécifique contenue dans la lumière réfléchie par le miroir 21 peut revenir dans le film multicouche 1. Ainsi, seule la lumière ayant la longueur d'onde résonne sous forme d'une onde oscillatoire. La longueur d'onde d'oscillation peut être

modifise par l' angle du miroir 21.

Lorsque le miroir 20 est un miroir semi-réfléchissant, un faisceau laser 23 peut être extrait du côté opposé au côté du film multicouche. Un dispositif laser à longueur

d'onde variable peut être réalisé grâce à cette configu-

ration. Lorsque le miroir 21 est un miroir semi-réLlé-

chissant, un faisceau laser 24 collimaté sous forme d'un

flux lumineux épais peut être extrait vers la partie supé-

rieure droite en oblique. Par ailleurs, la configuration fondamentale d'un tel laser à semi-conducteur à longueur d'onde variable contenant un résonateur externe (exemple utilisant un réseau de diffraction comme élément spectroscopigue) a été décrite dans "The Eighth Mirooptics

Conference Technical Digest (2001)", pages 64 à 67.

Comme décrit précédemment, selon l' invention, comme la lumière réfractée par une structure multicouche a une bonne directivité et la direction de la lumière réfractée présente une grande variation avec la longueur d'onde, un dispositif spectroscopique de pouvoir de résolution élevé ou un dispositif de séparation de lumière polarisée de pouvoir de résolution élevé peuvent être obtenus avec une bonne directivité et une bonne variation avec la longueur d'onde de la lumière réfractée sans augmentation de la dimension du

dispositif. Comme la structure multicouche peut être fabri-

quée en grande série de manière relativement peu coûteuse par une technique connue, la réduction du coût de ces

éléments optiques peut être réalisée.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux éléments et dispositifs optiques qui viennent d'être décrits uniquement à titre

d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l' invention.

Claims (24)

REVENDICATIONS

1. Elément optique comprenant un cristal photonique unidimensionnel, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure multicouche (1) qui contient une struc ture périodique sous forme d'au moins une région, la structure périodique étant considérée comme un cristal photonique unidimensionnel ayant une répétition d'une période prédéterminse, la structure multicouche (1) ayant une surface d'extrémité pratiquement perpendiculaire aux surfaces des couches de la structure multicouche (1) et étant utilisoe comme surface dentrée de lumière, et l'élément optique comporte en outre une unité de modulation de phase (8) de position choisie parmi une position adjacente à la surface d'entrée de lumière et une position de butée contre la surface dentrée de lumière, pour la création d'une onde modulée en phase ayant une période égale à la période de la structure périodique dans la direction d'empilement de la structure multicouche (1), et l'une au moins des surfaces opposées de la structure multicouche (1) qui sont pratiquement parallèles aux sur faces des couches de la structure multicouche (1) est utili

sée comme surface de sortie de lumière.

2. Elément optique selon la revendication 1, caracté risé en ce que l'élément optique remplit la condition: O < kseo/ (2.nS2) < 1 dans laquelle \0 est la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur l'élément optique, ks est la longueur du vecteur donde d'une bande pho tonique couplée, qui ntest pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde X0, et ns1 et ns2 (ns2 < nsl) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposées de la structure multicouche (1).

3. Elément optique selon la revendication 1, caracté risé en ce que l'élément optique remplit les conditions suivantes: O < ks.\o/(2.ns1) < 1, et 1 < ks.\oI(2.ns2) dans lesquelles \0 est la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur l'élément optique, ks est la longueur du vecteur donde d'une bande photo nique couplée, qui n'est pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde X0, et ns1 et ns2 (ns2 < ns1) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposoes de la structure multicouche (1).

4. Elément optique selon la revendication 1, caracté risé en ce qu'une seconde partie- (13) de structure pério dique est placée entre ladite partie de structure périodique et un milieu ayant un indice de réfraction ns correspondant à la condition: O < ks.\o/(2.ns) < 1 dans laquelle \0 est la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur l'élément optique, ks est la longueur du vecteur d'onde d'une bande photo nique couplée, qui n'est pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur donde \0, et ns1 et ns2 (ns2 < ns1) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposées de la structure multicouche (1).

5. Elément optique selon la revendication 1, caracté risé en ce qu'une couche réfléchissante (12) est disposée entre la partie de structure périodique et un milieu dindice de réfraction ns correspondant à la condition: O < ks.\o/(2.ns) < 1 dans laquelle \0 est la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur l'élément optigue, ks est la longueur du vecteur d'onde d'une bande photo nique couplée, qui n'est pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde \0, et ns1 et ns2 (ns2 < nel) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposées de la structure multicouche (1).

6. Elément optigue selon la revendication 5, caracté risé en ce que la couche réfléchissante (12) est constituée d'une partie de structure périodique différente de ladite

partie de structure périodique.

7. Elément optique comprenant un cristal photonique unidimensionnel, caractérisé en ce quil comporte: une structure multicouche (1) contenant une structure périodique formant au moins une région, la structure périodique étant considérse comme un cristal photonique unidimensionnel ayant une répétition dune période prédéter minée, la structure multicouche (1) ayant une surface pratiquement parallèle aux surfaces des couches de la structure multicouche (1) et étant utilisée comme surface dentrée de lumière, l'élément optique comporte en outre une unité de modulation de phase (8) ayant une position choisie parmi une position add acente à la surface d'entrée de lumière et une position de butée contre la surface d'entrée de lumière, pour la création d'une onde modulée en phase dont la période est égale à la période de la structure périodique dans la direction d'empilement de la structure multicouche (1), et une surface dextrémité de la structure multicouche (1) qui est pratiquement perpendiculaire aux surfaces des couches de la structure multicouche (1) est utilisée comme

surface de sortie de lumière.

8. Elément optique selon la revendication 7, caracté risé en ce que lélément optique remplit la condition: O < ks.\o/ (2.ns2) < 1 dans laquelle \0 est la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur l'élément optique, ks est la longueur du vecteur d'onde d'une bande photo nique couplée, qui n'est pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde \0, et ns1 et ns2 (ns2 < ns1) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposées de la structure multicouche (1).

9. Elément optique selon la revendication 7, caracté risé en ce que l'élément optique remplit les conditions suivantes: O < ks.\o/(2.ns1) < 1, et 1 < kS-ko/ (21T-nS2) dans lesquelles \0 est la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur 1'élément optique, ks est la longueur du vecteur d'onde d'une bande photo nique couplée, qui nest pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde 10, et ns1 et ns2 (ns2 < ns1) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposéss de la structure multicouche (1).

10. Elément optique selon la revendication 7, caracté risé en ce qutune seconde partie de structure périodique est placée entre ladite partie de structure périodique et un milieu ayant un indice de réfraction ns correspondant à la condition: 0 < ks.\o/(2.ns) < 1 dans laquelle \0 est la longueur d'onde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur lélément optique, ks est la longueur du vecteur d'onde d'une bande photo nique couplée, qui ntest pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde \0, et ns1 et ns2 (ns2 < ns1) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposées de la structure multicouche (1).

11. Elément optigue selon la revendication 7, caracté risé en ce quune seconde partie de structure périodique est placoe entre ladite partie de structure périodique et un milieu ayant un indice de réfraction ns correspondant à la condition: O < ks.\ot(2.ns) < 1 dans laquelle \0 est la longueur donde de la lumière dans le vide lorsque la lumière tombe sur l'élément optique, ks est la longueur du vecteur d'onde d'une bande photo nique couplée, qui nest pas la plus basse, du cristal photonique en direction parallèle aux surfaces des couches en fonction de la longueur d'onde \0, et ns1 et ns2 (ns2 < ns1) sont les indices de réfraction des milieux qui viennent en contact respectif avec les

surfaces opposoes de la structure multicouche (1).

12. Elément optique selon la revendication 11, caracté risé en ce que la couche réfléchissante (12) est constituée d'une partie de structure périodique différente de ladite

partie de structure périodique.

13. Dispositif optique, caractérisé en ce qutil

comprend:.

un élément optique constitué par une structure multi-

couche (1) telle que définie dans la revendication 1, une unité d'entrée destinée à l' introduction d'un flux lumineux à des mélanges de longueurs d'onde à une surface d'extrémité de la partie de structure périodique de la structure multicouche (1), et

une.unité (17) de détection des rayons lumineux trans-

mis à des angles différents daprès les longueurs d'onde à une surface de sortie de lumière de la structure multicouche (1).

14. Dispositif optique, caractérisé en ce quil comprend:

un élément optique constitué par une structure multi-

couche (1) telle que définie dans la revendication 7, une unité d'entrée destinée à l' introduction d'un flux lumineux à des mélanges de longueurs d'onde à une surface dextrémité de la partie de structure périodique de la structure multicouche (1), et

une unité (17) de détection des rayons lumineux trans-

mis à des angles différents d'après les longueurs d'onde à une surface de sortie de lumière de la structure multicouche (1).

15. Dispositif optique fonctionnant comme oscillateur laser comprenant un résonateur extérieur, caractérisé en ce qu'il comprend: un élément optique constitué par une structure multi 1S couche (1) telle que définie dans la revendication 1,

un laser à semi-conducteur couplé optiquement à l'élé-

ment optique, et un miroir (21) destiné à réfléchir la lumière provenant de l'élément optique afin que la lumière soit renvoyée vers

l'élément optique.

16. Dispositif optique fonctionnant comme oscillateur laser comprenant un résonateur extérieur, caractérisé en ce qu'il comprend: un élément optique constitué par une structure multi couche (1) telle que définie dans la revendication 7,

un laser à semi-conducteur couplé optiquement à lélé-

ment optique, et un miroir (21) destiné à réfléchir la lumière provenant de l'élément optique afin que la lumière soit renvoyée vers

l'élément optique.

17. Dispositif optique, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure multicouche (1) contenant une structure périodique ayant une répétition d'une période prédéterminée dans une direction d'empilement, la structure multicouche

(1) ayant une première surface d'extrémité pratiquement per-

pendiculaire ou parallèle aux surfaces de couches de la structure multicouche (1) et une seconde surface d'extrémité pratiquement perpendiculaire à la première surface d'extrémité de la structure multicouche (1), un dispositif de transmission de lumière à la structure multicouche (1), et une unité de modulation de phase (8) destinée à créer une onde modulée en phase ayant une période égale à celle de la structure multicouche (1), dans lequel l'unité de modulation de phase (8) est placée entre la structure multicouche (1) et le dispositif transmettant de la lumière, et la lumière du dispositif transmettant de la lumière est transmise par la seconde surface d'extrémité de la structure

multicouche (1).

18. Dispositif optique selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'unité de modulation de phase (8) a une position choisie parmi une position adjacente à la première surface d'extrémité et une position en butée contre

cette surface dextrémité.

19. Dispositif optique selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif de transmission de

lumière est une fibre optique.

20. Dispositif optique selon la revendication 19, caractérisé en ce que la fibre optique est mise directement en butée contre la surface d'extrémité de l'unité de

modulation de phase (8).

21. Dispositif optique selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif de transmission de lumière donne de la lumière contenant des signaux à plu

sieurs longueurs d'onde.

22. Dispositif optique selon la revendication 17, caractérisé en ce que la lumière provenant de la seconde face d'extrémité de la structure multicouche (1) contient des rayons lumineux à des longueurs d'onde différentes, et

les rayons lumineux sont réfractés à des angles différents.

23. Dispositif optique selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un arrangement de capteurs qui reçoit la lumière provenant de la seconde face dextrémité de la structure multicouche (1) afin que

l'intensité à chaque longueur d'onde soit mesurée indivi-

duellement.

24. DiSpositif optique selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif de transmission de lumière comports une couche active, et la lumière provenant de la seconde face d'extrémité de la structure multicouche (1) est réfléchie par un miroir afin qu'elle revienne dans la structure multicouche (1),

de sorte que la lumière à une longueur donde prédé-