FR2856804A1 - Filtres optiques a reseau resonnant - Google Patents
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Abstract
- Filtres optiques à réseau résonnant.- La présente invention est relative à un filtre optique (13 à 17) présentant une bande étroite centrée sur une longueur d'onde (λ) ; le filtre comporte un guide d'onde plan (14 à 16) et un réseau (12) formé dans ou sur le guide d'onde plan ; le réseau comporte des moyens pour exciter deux modes guidés distincts du guide d'onde par un faisceau incident oblique.
Description
La présente invention est relative à des filtres optiques à réseau résonnant et à des procédés pour leur fabrication.
Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de filtres optiques à réseau résonnant pour les télécommunications.
L'invention est plus particulièrement relative à des filtres comportant une structure plane, qui sont utilisés pour extraire une longueur d'onde prédéterminée d'un faisceau polychromatique.
Afin d'accroître la capacité de transport de réseaux câblés à fibre optique, il est connu de multiplexer plusieurs canaux pour les faire transiter simultanément dans une fibre, puis de les démultiplexer ; lorsque le multiplexage est effectué par division de la bande de transmission (en longueur d'onde) de la fibre, on parle généralement de système WDM pour Wavelength Division Multiplex ; afin d'augmenter le nombre de canaux susceptibles d'être multiplexés pour accroître la capacité d'une fibre en restant dans une plage de longueur d'onde déterminée, il faut disposer d'un multiplexeur (et d'un démultiplexeur) susceptible de traiter (mélanger ou séparer) plusieurs faisceaux dont les longueurs d'onde sont très voisines ;on a donc besoin de composants optiques de filtrage ayant une bande passante très étroite (de l'ordre de 10-10 mètres) et un taux de rejection très élevé ; on a également besoin de tels composants dont la sensibilité à l'incidence, à la divergence et à la polarisation du faisceau à filtrer, soient faibles ou négligeables.
Il est connu qu'un réseau, c'est à dire une structure présentant au moins une périodicité spatiale, qui est gravé sur un guide d'onde plan, présente des anomalies dans la courbe des efficacités réfléchies et transmises, lors du couplage d'une onde plane incidente avec des modes guidés par le guide d'onde plan. Lorsque la période du réseau est suffisamment petite pour qu'un seul ordre soit réfléchi et transmis, ces anomalies se traduisent par un pic de réflectivité en fonction de la longueur d'onde, et par un pic de réflectivité de l'angle d'incidence. La largeur et la position de ces pics dépendent de la hauteur et de la période du réseau, ainsi que de l'angle d'incidence du faisceau incident.
Pour un réseau bidimensionnel présentant deux périodes notées d, et d2 selon des axes x et y de vecteur directeur respectif a1 et a2, tel que représenté figures 6 et 7, on peut adopter les conventions de notation suivantes : - les vecteurs du réseau réciproque sont notés K ; K appartient à
quelconques} ; - le nombre d'onde d'un mode guidé du guide d'onde plan (en
- la projection du vecteur d'onde de l'onde plane incidente sur le plan (a1, a2) est notée k ; - la constante diélectrique de la structure est notée e(r).
L'anomalie dans les courbes de réflexion ou de transmission a lieu autour d'une longueur d'onde lorsqu'il existe un vecteur du réseau réciproque K1 vérifiant :
La largeur de la résonance est en général reliée à la hauteur du réseau et au coefficient de Fourier de la permittivité du réseau permettant le couplage de l'onde incidente au mode guidé.
Comme la structure du réseau est périodique, on peut écrire :
soit,
(sauf indication contraire les notations en caractère gras désignent des vecteurs).
Le coefficient de Fourier de la permittivité permettant le couplage de l'onde incidente avec l'onde plane est, dans ce cas, K1.
Lorsque le réseau est symétrique par rapport à Oz, il a été montré que le pic de réflectivité, causé par l'excitation du mode guidé, atteint 100% [Popov, E. et al, Theoretical study of the anomalies of coated dielectric gratings , Optica Acta, 33 , pp 607-619 (1986)]. Si la structure est de surcroît symétrique par rapport au plan (Oxy), on obtient à la fois un pic de réflectivité et un pic de transmittivité de 100%. Dans la suite sont considérés des réseaux symétriques par rapport à Oz, pour obtenir de manière certaine des pics de réflectivité atteignant 100%. En dehors de ces anomalies, la réflectivité de la structure est proche de celle du guide d'onde plan. Elle peut donc être quasiment nulle si l'empilement planaire a été conçu pour être anti-reflet dans le domaine de longueurs d'onde de travail.
Au sens de la présente demande, l'expression proche de concernant la comparaison de deux grandeurs ou valeurs notées A et B, telle que l'expression A est proche de B , qui est également notée A B , signifie, sauf indication contraire, que le rapport de la différence (A-B ou B-A) à l'une de ces deux grandeurs est inférieur à 0,1, de préférence inférieur à 0,01, de préférence encore inférieur à 0,001; au sens de la présente demande, l'expression faible par rapport à concernant la comparaison de deux grandeurs ou valeurs notées A et B, telle que l'expression A est faible par rapport à B , signifie, sauf indication contraire, que le rapport (A/B ou B/A selon le cas) de ces deux grandeurs est inférieur à 0,1, de préférence inférieur à 0,01, de préférence encore inférieur à 0,001.
La plupart des études sur ce type de structure concernent des réseaux à une seule dimension (invariant selon l'axe des y) éclairés en configuration classique, c'est-à-dire dans lesquelles le plan d'incidence est normal à l'axe d'invariance du réseau. Les filtres comportant ce type de réseau présentent trois inconvénients majeurs :
* La largeur en longueur d'onde ( ) de ce type de filtre illustré figure l(c), est directement proportionnelle à la largeur du filtre en angle d'incidence ( ) : un filtre de 1 (respectivement 0.1) nanomètre sera efficace si la divergence du faisceau est inférieure à 0.1 (respectivement 0.01) degré. Les courbes de réflectivité en fonction de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence montrées sur la figure l(a) et (b) illustrent cette dépendance entre la tenue en incidence et la largeur spectrale. La conséquence de cette faible tenue à l'incidence est que les ondes planes du faisceau incident présentant un angle d'incidence supérieur à + se verront entièrement transmises, même si elles sont à la longueur d'onde centrale du filtre.Cela diminue de manière dramatique l'efficacité du filtre définie par le rapport de l'énergie réfléchie sur l'énergie incidente à la longueur d'onde voulue ; * Les filtres obtenus avec des réseaux à une dimension éclairés en configuration classique ne fonctionnent que pour un seul type de polarisation incidente (s ou p) selon le mode (TE ou TM respectivement) excité dans le guide d'onde ; * Le profil spectral en réflexion du filtre est une fonction de Lorentz ; dès lors, si la structure est symétrique par rapport à la normale (Oz), la réflexion n'est strictement égale à 1 que pour une longueur d'onde unique ; le filtre et/ou le dispositif incorporant le filtre étant soumis à des contraintes thermiques, la longueur d'onde à filtrer fluctue par conséquent autour d'une valeur théorique correspondant à une température déterminée ;la caractéristique lorentzienne du filtre implique nécessairement une diminution de l'efficacité opérationnelle du filtre.
Il est par ailleurs connu que l'indépendance de la réflectivité d'un réseau résonnant en fonction de la polarisation incidente peur être obtenue en incidence normale [Peng, Song et al, Resonant scattering from two-dimensional gratings , J. Opt. Soc. Am. A, 13, pp 993-1005 (1996)] : il suffit que le réseau soit invariant par une rotation inférieure à . En incidence oblique, ce résultat est beaucoup plus difficile à obtenir. On a montré cependant qu'il théoriquement est possible d'obtenir une anomalie de réflexion quelque soit la polarisation incidente si l'onde incidente excite deux modes propres de la structure présentant des propriétés de symétrie différentes par rapport au plan d'incidence [Fehrembach, Anne-Laure et al, Phenomenological theory of filtering by resonant dielectric gratings , J. Opt. Soc. Am. A, 19, pp 1136-1144, (2002)].De plus, il a été montré que la coexistence de deux pics de réflectivité culminant à 100% en polarisation s et en polarisation p entraîne l'existence d'un pic culminant à 100% quelque soit la polarisation incidente. Dans la suite, ne sont considérées que les polarisations rectilignes s et p.
Pour obtenir une anomalie en s et en p, on peut, par exemple, prendre un réseau résonnant à une dimension (dont le profil est invariant selon un axe) utilisé en configuration classique, dont le guide d'onde plan supporte un mode TE et un mode TM. Ces deux modes présentent des propriétés de symétrie différentes par rapport au plan d'incidence. Si l'angle d'incidence et la période sont choisis de telle sorte que k+K1
optimisant les paramètres du réseau (hauteur, taux de remplissage ou filling factor ) d'obtenir deux pics de réflectivité en p et en s de largeur similaire et pour la même longueur d'onde de centrage. Malheureusement, les tolérances de fabrication pour ce type de structure sont très faibles.Une erreur sur la période ou le motif conduit à une séparation des pics, et à des élargissements du filtre divers selon les polarisations [Lacour, Dominique et al, Resonant waveguide grating: Analysis of polarization independent filtering , Opt. quantum electron, 33 , pp 451-470, (2001)].
Une autre approche consiste à considérer un guide d'onde plan ne supportant qu'un seul mode défini par kref( ). On utilise alors un réseau symétrique par rapport au plan d'incidence permettant de coupler l'onde incidente avec le mode guidé selon deux directions symétriques par rapport à k. En d'autres termes il existe deux vecteurs différents Ks et Kas du réseau réciproque, symétriques par rapport au plan (k,z) tels que
structure périodique supporte deux modes propres, symétriques et antisymétriques par rapport à k qui apparaissent à des longueurs d'onde de résonance différentes. L'excitation de ces modes par l'onde incidente se traduit par un pic de réflectivité en polarisation p pour le mode symétrique et un pic de réflectivité en polarisation s pour le mode antisymétrique. Ces pics ont des largeurs différentes.En diminuant le couplage entre les deux modes, gouverné par Ks-Kas, il est possible de rapprocher les longueurs d'onde de résonance. Pour une valeur faible de Ks-Kas, (proche mais différente de 0, de l'ordre de 0.01 [Fehrembach, Anne-Laure et al, Study of waveguide gratings eigenmodes for unpolarized filtering applications , J. Opt. Soc. Am. A, 20, pp 481-488 (2003)]), on obtient une superposition des deux pics. Cependant, les largeurs des pics restent généralement différentes [Lacour sus-cité, 2001].
Pour obtenir les mêmes largeurs de pics, une autre solution existe [Mizutani, Akio et al, Nonpolarizing guided-mode resonant grating filter for oblique incidence , J. Opt. Soc. Am. A", 18 , pp 1261-1266, (2001]. En effet, si le mode du guide d'onde plan est TE et la période et l'angle d'incidence sont choisis de telle sorte que (k+Ks).(k+Kas) soit proche de 0, les pics en polarisation s et p sont quasiment de même largeur et très proches l'un de l'autre [Fehrembach, 2003]. Pour une valeur de (k+Ks).(k+Kas) très proche de zéro mais différente de zéro, en particulier de l'ordre de 0.01 , on peut superposer les deux pics ; ceci permet de jouer sur l'angle d'incidence pour rattraper d'éventuelles erreurs de fabrication et on obtient à la fois la superposition des pics et des largeurs comparables.La figure 3 illustre un exemple de réseau résonnant permettant d'obtenir une fonction de filtrage indépendante de la polarisation. Le réseau est à maille hexagonale non régulière, éclairé selon un de ses axes de symétrie. Le guide d'onde plan supporte un seul mode guidé TE. On a optimisé la période et l'angle d'incidence de telle
proche de kref( ). Il est possible d'obtenir un résultat similaire avec un réseau 1D lorsque k est dirigé selon l'axe d'invariance.
Les structures décrites ci-avant présentent des pics de réflectivité quelque soit la polarisation incidente et fonctionnent en incidence oblique. Cependant, la tenue à l'incidence du filtre reste couplée à sa largeur spectrale.
Le découplage entre et a été montré en incidence normale [Lemarchand, Fabien et al, Study of the resonant behaviour of waveguide gratings: increasing the angular tolerance of guided-mode filters , J. Opt. A: Pure Appl. Opt, 1, pp545-551 (1999)], mais pas en incidence oblique.
La présente invention a pour objet de proposer des filtres optiques à réseau résonnant ne présentant pas ces inconvénients.
Selon un premier aspect, l'invention consiste à proposer un filtre optique présentant une bande étroite centrée sur une longueur d'onde ( ), le filtre comportant un guide d'onde plan et un réseau formé dans ou sur le guide d'onde plan, en particulier un réseau résonnant formé dans une couche mince déposée sur le guide d'onde plan, le réseau comportant des moyens pour exciter deux modes guidés distincts du guide d'onde par un faisceau incident oblique, ainsi que, de préférence, des moyens pour découpler la tenue en incidence du filtre de sa largeur spectrale ;de préférence également, l'invention propose des moyens pour donner au filtre un profil spectral de transmission (ou réflexion) de forme carrée, c'est-à-dire comportant une plage étroite de longueur d'onde (qui est centrée sur la longueur d'onde de filtrage) dans laquelle la transmission (respectivement la réflexion) d'un faisceau incident oblique avoisine 100% ; l'incidence oblique est caractérisée par des angles (6,cp) non nuls et par la projection non nulle dans le plan du réseau du vecteur d'onde incident, k :
Pour exciter deux modes guidés distincts, l'indice et l'épaisseur de la (ou des) couche(s) mince(s) formant le guide d'onde plan sont de préférence choisis pour permettre, au voisinage de la longueur d'onde X de filtrage, la propagation de deux modes guidés distincts, et une période d1 du réseau est de préférence choisie telle que pour deux entiers relatifs distincts ni et n2, deux vecteurs correspondants du réseau réciproque,
dans le plan du réseau du vecteur d'onde de l'onde (plane) incidente, et avec les nombres d'onde respectifs des deux modes guidés, kref1( ) et
De préférence encore, le guide d'onde plan permet la propagation de deux modes guidés TE ou de deux modes guidés TM, de nombres
deux périodes (dl,d2) spatiales distinctes, selon au moins un axe (al,a2) du plan du réseau ;le réseau réciproque présente deux vecteurs Kl
qui, avec la projection (k) dans le plan du réseau du vecteur d'onde de l'onde plane incidente remplissent, pour une incidence (6,<p) non nulle
de sorte que les deux modes guidés (TE ou TM) soient excités par l'onde incidente (via K, et K2).
De préférence encore, le rapport, exprimé en nanomètre par degré,
inférieur à 1, de préférence inférieur ou égal à 0,5 ; la largeur spectrale est par exemple voisine de 0,1 nanomètre pour une tenue à l'incidence voisine de 0,2 degrés.
Selon un autre aspect de l'invention, la forme du réseau du filtre selon l'invention est choisie de telle sorte que les modules des coefficients de Fourier de permittivité K1, K2, responsables du couplage entre l'onde incidente et les deux modes guidés, soient nettement inférieurs au module du coefficient de Fourier responsable du couplage
sont de l'ordre d'un dixième de K1-K2. La réflectivité du filtre présente alors une anomalie autour de dont la largeur spectrale est reliée à K1 alors que la largeur angulaire dépend de K1-K2 : la tenue à l'incidence est découplée de la largeur en longueur d'onde; en outre, plus le rapport K1K2/ K1 est grand, plus la largeur angulaire est grande par rapport à la largeur spectrale ; les figures 2a à 2e illustrent un exemple de structure satisfaisant ces conditions.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un filtre dans lequel le réseau présente un plan (k,z) de symétrie qui est orthogonal au plan du guide d'onde et qui contient la projection (k) du vecteur d'onde de l'onde incidente dans le plan du guide, afin d'augmenter l'insensibilité du filtre à la polarisation du faisceau incident.
Selon un autre aspect de l'invention, pour obtenir une structure permettant un filtrage indépendant de la polarisation tout en ayant une bonne tenue à l'incidence, il est proposé un filtre optique comportant un réseau formé (en particulier gravé) sur un guide d'onde plan supportant deux modes guidés de même nature (TE ou TM) définis par kref1( ) et kref2( ), le réseau présentant une symétrie par rapport à un plan vertical d'incidence ; la période et l'angle d'incidence sont choisis de telle sorte que pour 4 vecteurs du réseau réciproque, symétriques 2 à 2 par rapport à
k+K2as 1 soit proche de kref2( ).
Grâce au respect de ces conditions, il existe une longueur d'onde proche de pour laquelle la structure présente deux modes propres de symétrie différentes par rapport à (k,z). L'excitation de ces deux modes se traduit par la superposition de deux pics en polarisation s et p dans la courbe de réflectivité. Ce résultat est obtenu sans spécificité particulière sur le motif du réseau. Cependant, dans le cas général, la largeur angulaire du pic de réflectivité, indépendante de la polarisation incidente, est reliée à la largeur spectrale comme exposé précédemment ; c'est pourquoi on choisit de préférence un réseau dont les coefficients de Fourier de la permittivité remplissent les conditions suivantes : le motif du réseau est
K2s= K2as; la largeur spectrale du filtre est alors découplée de la tenue en incidence.Ces conditions concernant le motif du réseau peuvent être obtenues avec un réseau périodique selon deux directions. Les figures 4d et 4e illustrent un exemple d'un tel réseau à double période . Les figures 4(a,b,c) illustrent des courbes de la réflectivité pour les deux polarisations en fonction de la longueur d'onde et des angles d'incidence et .
A cet effet, le réseau peut comporter une pluralité de motifs présentant au moins trois configurations distinctes et disposés selon un maillage carré ou triangulaire; les motifs peuvent être en forme de plots cylindriques présentant au moins trois rayons distincts ; le guide d'onde peut comporter deux ou trois couches minces déposées sur un substrat, le réseau étant gravé dans la couche externe.
Selon un autre aspect de l'invention, pour obtenir un filtre présentant un profil spectral (de transmission ou réflexion) de forme carré , il est proposé un filtre comportant une structure supportant deux
laquelle est gravée un réseau ; ce réseau est choisi (conçu) de telle sorte qu'il existe un vecteur K du réseau réciproque tel que pour deux
pour un vecteur d'onde incident de projection k dans le plan Oxy, la courbe de réflectivité en fonction de la longueur d'onde présente alors un pic de résonance en 1 et un autre en ,2. Lorsque 1 et 2 sont suffisamment proches (typiquement 1- 2= /2 pour obtenir un profil spectral de largeur ), les deux lorentziennes correspondant chacune de l'excitation d'un mode guidé, se juxtaposent pour former un profil carré.
Deux modes excités à des longueurs d'onde proches pour une même incidence s'obtiennent de préférence en prenant deux guides résonnants identiques séparés par une couche de couplage.
Une telle structure supporte deux modes : l'un dont le champ est symétrique et l'autre dont le champ est anti-symétrique par rapport au plan (Oxy). Pour une incidence donnée, ces modes sont excités à des longueurs d'onde d'autant plus proches que la couche de couplage est épaisse. Une couche de 3Microm d'épaisseur pour un indice de 1.5 permet de rapprocher les modes jusqu'à 0,05nm près (cf. figures 5a à 5c).
Les filtres selon l'invention présentent de nombreux avantages ; outre ceux mentionnés ci-avant, ils permettent de filtrer des faisceaux lumineux sortant de fibres ou de collimateurs avec une bande passante (ou réfléchie) très étroite ; ils peuvent être dotés d'un spectre de transmission (ou de réflexion) dont la caractéristique peut être extrêmement fine dans le cas d'une forme lorentzienne, ou bien peut présenter un plateau dans le cas d'un profil carré ; ils peuvent ainsi être rendus insensibles aux fluctuations de la longueur d'onde d'une source laser présentant une dérive thermique.
Les filtres selon l'invention peuvent être fabriqués par dépôt successif de quelques couches - dont le nombre est généralement réduit à trois ou quatre - sur un substrat transparent, de silice par exemple, puis gravure du réseau et, le cas échéant, assemblage tête-bêche de deux structures complémentaires de filtrage.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés, et qui illustre sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention.
Les figures la à 1d sont relatives à un filtre à réseau à mode guidé quelconque dont la largeur spectrale dépend de la divergence du faisceau incident; les figures la et lb sont deux graphes illustrant respectivement la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente et la variation de la réflectivité en fonction de l'angle d'incidence, pour un tel réseau ; la figure le est une vue de dessus du réseau illustrant une rainure rectiligne gravée dans une couche mince externe de la structure ; la figure 1d illustre schématiquement un empilement de trois couches minces sur un substrat, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches.
Les figures 2a à 2e sont relatives à un filtre à réseau à mode guidé selon un premier mode de réalisation de l'invention ; les figures 2a et 2b sont deux graphes illustrant respectivement la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente et la variation de la réflectivité en fonction de l'angle d'incidence, pour un tel réseau ; la figure 2c est un graphe illustrant le lieu du maximum de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence ; la figure 2d est une vue de dessus du réseau illustrant deux rainures rectilignes parallèles gravées dans une couche mince externe de la structure ; la figure 2e illustre schématiquement un empilement de quatre couches minces 13 à 16 sur un substrat 17, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches.
La structure illustrée figures 2d et 2e comporte un réseau 1D (repère 12) lamellaire déposé sur un guide d'onde supportant deux modes TE. Les deux modes guidés sont excités par l'onde incidente via K1 = 2 /dx et K2 = -2 /dx. Le motif du réseau lamellaire est dit à double période : sur une période d, on a gravé un premier motif en forme de rainure rectiligne 18 de largeur d/4, et un second motif en forme de rainure rectiligne 19, parallèle à la rainure 18, de largeur d/4+Ad, d étant nettement inférieur à d/4 et non nul, ces deux motifs étant séparés de d/4. Ce type de motif permet d'obtenir un coefficient de Fourier de permittivité K1-K2 permettant le couplage entre modes, qui est bien plus grand que celui ( K1= K2) permettant le couplage de l'onde incidente avec les modes guidés.Les courbes de réflectivité en fonction de l'angle d'incidence et de la longueur d'onde, figure 2a et 2b montrent que l'on a découplé la tenue à l'incidence de la largeur spectrale du filtre, en incidence oblique.
Les figures 3a à 3c sont relatives à un filtre à réseau à deux modes guidés ; la figure 3a est un graphe illustrant la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente pour un tel réseau ; la figure 3b est une vue de dessus du réseau à maille hexagonale gravé dans une couche mince externe de la structure ; la figure 3c illustre schématiquement un empilement de quatre couches minces sur un substrat, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches ; ce filtre n'est pas adapté aux faisceaux incidents obliques.
Les figures 4a à 4e sont relatives à un filtre à réseau à quatre modes guidés symétriques deux à deux, selon un second mode de réalisation de l'invention; les figures 4a à 4c sont trois graphes illustrant respectivement la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente et la variation de la réflectivité en fonction de chaque angle ( , ) d'incidence, pour un tel réseau, en polarisation s et en polarisation p; la figure 4d est une vue de dessus du réseau à plots cylindriques et maille carré gravé dans une couche mince externe de la structure ;les coordonnées (selon les axes x et y) dans le plan du réseau, du centre des quatre plots, et le rayon (R) de ces plots étaient de :
La figure 4e illustre schématiquement un empilement de quatre couches minces 13 à 16 constituant la structure du guide d'onde plan, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches ; le réseau 12 de plots A, B, C, D cylindriques disposés aux sommets d'une maille carrée, est formé dans la couche externe 13 de l'empilement.
Les figures 5a à 5c sont relatives à un filtre 11 à réseau 12 à deux modes guidés et à profil spectral approximativement carré, selon un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 5a est un graphe illustrant la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente pour un tel réseau ; la figure 5b est une vue de dessus du réseau illustrant une rainure 18 rectiligne gravée dans une couche mince externe de la structure ; la figure 5c illustre schématiquement un empilement de trois couches minces 13 à 15 sur chaque face d'un substrat 17, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches.
Par référence aux figures 5a à 5c et 10, pour faciliter la fabrication du filtre, il est utile d'utiliser une couche de couplage plus épaisse (d'épaisseur par exemple voisine de 200Microm), qui tient lieu de substrat lors du dépôt des couches ; la forme du profil spectral obtenu est, dans ce cas aussi, carrée ; en variante, un profil spectral carré peut être obtenu en juxtaposant les pics de résonance de plus de deux modes, comme il a déjà été proposé [Jacob,2002].
Ces techniques permettant d'obtenir un profil spectral carré sont avantageusement combinées avec les solutions proposées ci-avant pour la tenue en incidence hors incidence normale et la tenue à la polarisation ; pour obtenir, selon un autre aspect de l'invention, une structure possédant les trois propriétés, on fabrique en premier lieu une première structure (A) de filtre optimisée pour le filtrage en incidence oblique comme défini ci-avant ; on fabrique une seconde structure (B) identique à la première structure, et on rassemble ces deux structures pour former une troisième structure.
L'épaisseur de la couche 20 de couplage est ajustée afin d'obtenir le profil spectral désiré. Pour la fabrication, chacune des structures A et B est respectivement déposée sur un substrat d'épaisseur el, e2, de telle sorte que la somme (el+e2) de ces deux épaisseurs soit égale à l'épaisseur de la couche de couplage désirée pour la troisième structure (finale) obtenue par assemblage de ces deux structures.
Les figures 6 et 7 illustrent les conventions de notation utilisées pour les vecteurs d'onde par rapport à un référentiel (O,x,y,z) lié à un plan (x,y) parallèle aux couches minces et au guide d'onde.
Les figures 8 et 9 illustrent respectivement la propagation de modes TE dans un seul guide et dans deux guides solidaires d'une couche de couplage.
La figure 10 illustre schématiquement l'assemblage tête-bêche de deux structures de filtrage identiques pour former un filtre présentant un profil spectral d'absorption (ou au contraire de réflexion) de forme carré.
Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de filtres optiques à réseau résonnant pour les télécommunications.
L'invention est plus particulièrement relative à des filtres comportant une structure plane, qui sont utilisés pour extraire une longueur d'onde prédéterminée d'un faisceau polychromatique.
Afin d'accroître la capacité de transport de réseaux câblés à fibre optique, il est connu de multiplexer plusieurs canaux pour les faire transiter simultanément dans une fibre, puis de les démultiplexer ; lorsque le multiplexage est effectué par division de la bande de transmission (en longueur d'onde) de la fibre, on parle généralement de système WDM pour Wavelength Division Multiplex ; afin d'augmenter le nombre de canaux susceptibles d'être multiplexés pour accroître la capacité d'une fibre en restant dans une plage de longueur d'onde déterminée, il faut disposer d'un multiplexeur (et d'un démultiplexeur) susceptible de traiter (mélanger ou séparer) plusieurs faisceaux dont les longueurs d'onde sont très voisines ;on a donc besoin de composants optiques de filtrage ayant une bande passante très étroite (de l'ordre de 10-10 mètres) et un taux de rejection très élevé ; on a également besoin de tels composants dont la sensibilité à l'incidence, à la divergence et à la polarisation du faisceau à filtrer, soient faibles ou négligeables.
Il est connu qu'un réseau, c'est à dire une structure présentant au moins une périodicité spatiale, qui est gravé sur un guide d'onde plan, présente des anomalies dans la courbe des efficacités réfléchies et transmises, lors du couplage d'une onde plane incidente avec des modes guidés par le guide d'onde plan. Lorsque la période du réseau est suffisamment petite pour qu'un seul ordre soit réfléchi et transmis, ces anomalies se traduisent par un pic de réflectivité en fonction de la longueur d'onde, et par un pic de réflectivité de l'angle d'incidence. La largeur et la position de ces pics dépendent de la hauteur et de la période du réseau, ainsi que de l'angle d'incidence du faisceau incident.
Pour un réseau bidimensionnel présentant deux périodes notées d, et d2 selon des axes x et y de vecteur directeur respectif a1 et a2, tel que représenté figures 6 et 7, on peut adopter les conventions de notation suivantes : - les vecteurs du réseau réciproque sont notés K ; K appartient à
quelconques} ; - le nombre d'onde d'un mode guidé du guide d'onde plan (en
- la projection du vecteur d'onde de l'onde plane incidente sur le plan (a1, a2) est notée k ; - la constante diélectrique de la structure est notée e(r).
L'anomalie dans les courbes de réflexion ou de transmission a lieu autour d'une longueur d'onde lorsqu'il existe un vecteur du réseau réciproque K1 vérifiant :
La largeur de la résonance est en général reliée à la hauteur du réseau et au coefficient de Fourier de la permittivité du réseau permettant le couplage de l'onde incidente au mode guidé.
Comme la structure du réseau est périodique, on peut écrire :
soit,
(sauf indication contraire les notations en caractère gras désignent des vecteurs).
Le coefficient de Fourier de la permittivité permettant le couplage de l'onde incidente avec l'onde plane est, dans ce cas, K1.
Lorsque le réseau est symétrique par rapport à Oz, il a été montré que le pic de réflectivité, causé par l'excitation du mode guidé, atteint 100% [Popov, E. et al, Theoretical study of the anomalies of coated dielectric gratings , Optica Acta, 33 , pp 607-619 (1986)]. Si la structure est de surcroît symétrique par rapport au plan (Oxy), on obtient à la fois un pic de réflectivité et un pic de transmittivité de 100%. Dans la suite sont considérés des réseaux symétriques par rapport à Oz, pour obtenir de manière certaine des pics de réflectivité atteignant 100%. En dehors de ces anomalies, la réflectivité de la structure est proche de celle du guide d'onde plan. Elle peut donc être quasiment nulle si l'empilement planaire a été conçu pour être anti-reflet dans le domaine de longueurs d'onde de travail.
Au sens de la présente demande, l'expression proche de concernant la comparaison de deux grandeurs ou valeurs notées A et B, telle que l'expression A est proche de B , qui est également notée A B , signifie, sauf indication contraire, que le rapport de la différence (A-B ou B-A) à l'une de ces deux grandeurs est inférieur à 0,1, de préférence inférieur à 0,01, de préférence encore inférieur à 0,001; au sens de la présente demande, l'expression faible par rapport à concernant la comparaison de deux grandeurs ou valeurs notées A et B, telle que l'expression A est faible par rapport à B , signifie, sauf indication contraire, que le rapport (A/B ou B/A selon le cas) de ces deux grandeurs est inférieur à 0,1, de préférence inférieur à 0,01, de préférence encore inférieur à 0,001.
La plupart des études sur ce type de structure concernent des réseaux à une seule dimension (invariant selon l'axe des y) éclairés en configuration classique, c'est-à-dire dans lesquelles le plan d'incidence est normal à l'axe d'invariance du réseau. Les filtres comportant ce type de réseau présentent trois inconvénients majeurs :
* La largeur en longueur d'onde ( ) de ce type de filtre illustré figure l(c), est directement proportionnelle à la largeur du filtre en angle d'incidence ( ) : un filtre de 1 (respectivement 0.1) nanomètre sera efficace si la divergence du faisceau est inférieure à 0.1 (respectivement 0.01) degré. Les courbes de réflectivité en fonction de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence montrées sur la figure l(a) et (b) illustrent cette dépendance entre la tenue en incidence et la largeur spectrale. La conséquence de cette faible tenue à l'incidence est que les ondes planes du faisceau incident présentant un angle d'incidence supérieur à + se verront entièrement transmises, même si elles sont à la longueur d'onde centrale du filtre.Cela diminue de manière dramatique l'efficacité du filtre définie par le rapport de l'énergie réfléchie sur l'énergie incidente à la longueur d'onde voulue ; * Les filtres obtenus avec des réseaux à une dimension éclairés en configuration classique ne fonctionnent que pour un seul type de polarisation incidente (s ou p) selon le mode (TE ou TM respectivement) excité dans le guide d'onde ; * Le profil spectral en réflexion du filtre est une fonction de Lorentz ; dès lors, si la structure est symétrique par rapport à la normale (Oz), la réflexion n'est strictement égale à 1 que pour une longueur d'onde unique ; le filtre et/ou le dispositif incorporant le filtre étant soumis à des contraintes thermiques, la longueur d'onde à filtrer fluctue par conséquent autour d'une valeur théorique correspondant à une température déterminée ;la caractéristique lorentzienne du filtre implique nécessairement une diminution de l'efficacité opérationnelle du filtre.
Il est par ailleurs connu que l'indépendance de la réflectivité d'un réseau résonnant en fonction de la polarisation incidente peur être obtenue en incidence normale [Peng, Song et al, Resonant scattering from two-dimensional gratings , J. Opt. Soc. Am. A, 13, pp 993-1005 (1996)] : il suffit que le réseau soit invariant par une rotation inférieure à . En incidence oblique, ce résultat est beaucoup plus difficile à obtenir. On a montré cependant qu'il théoriquement est possible d'obtenir une anomalie de réflexion quelque soit la polarisation incidente si l'onde incidente excite deux modes propres de la structure présentant des propriétés de symétrie différentes par rapport au plan d'incidence [Fehrembach, Anne-Laure et al, Phenomenological theory of filtering by resonant dielectric gratings , J. Opt. Soc. Am. A, 19, pp 1136-1144, (2002)].De plus, il a été montré que la coexistence de deux pics de réflectivité culminant à 100% en polarisation s et en polarisation p entraîne l'existence d'un pic culminant à 100% quelque soit la polarisation incidente. Dans la suite, ne sont considérées que les polarisations rectilignes s et p.
Pour obtenir une anomalie en s et en p, on peut, par exemple, prendre un réseau résonnant à une dimension (dont le profil est invariant selon un axe) utilisé en configuration classique, dont le guide d'onde plan supporte un mode TE et un mode TM. Ces deux modes présentent des propriétés de symétrie différentes par rapport au plan d'incidence. Si l'angle d'incidence et la période sont choisis de telle sorte que k+K1
optimisant les paramètres du réseau (hauteur, taux de remplissage ou filling factor ) d'obtenir deux pics de réflectivité en p et en s de largeur similaire et pour la même longueur d'onde de centrage. Malheureusement, les tolérances de fabrication pour ce type de structure sont très faibles.Une erreur sur la période ou le motif conduit à une séparation des pics, et à des élargissements du filtre divers selon les polarisations [Lacour, Dominique et al, Resonant waveguide grating: Analysis of polarization independent filtering , Opt. quantum electron, 33 , pp 451-470, (2001)].
Une autre approche consiste à considérer un guide d'onde plan ne supportant qu'un seul mode défini par kref( ). On utilise alors un réseau symétrique par rapport au plan d'incidence permettant de coupler l'onde incidente avec le mode guidé selon deux directions symétriques par rapport à k. En d'autres termes il existe deux vecteurs différents Ks et Kas du réseau réciproque, symétriques par rapport au plan (k,z) tels que
structure périodique supporte deux modes propres, symétriques et antisymétriques par rapport à k qui apparaissent à des longueurs d'onde de résonance différentes. L'excitation de ces modes par l'onde incidente se traduit par un pic de réflectivité en polarisation p pour le mode symétrique et un pic de réflectivité en polarisation s pour le mode antisymétrique. Ces pics ont des largeurs différentes.En diminuant le couplage entre les deux modes, gouverné par Ks-Kas, il est possible de rapprocher les longueurs d'onde de résonance. Pour une valeur faible de Ks-Kas, (proche mais différente de 0, de l'ordre de 0.01 [Fehrembach, Anne-Laure et al, Study of waveguide gratings eigenmodes for unpolarized filtering applications , J. Opt. Soc. Am. A, 20, pp 481-488 (2003)]), on obtient une superposition des deux pics. Cependant, les largeurs des pics restent généralement différentes [Lacour sus-cité, 2001].
Pour obtenir les mêmes largeurs de pics, une autre solution existe [Mizutani, Akio et al, Nonpolarizing guided-mode resonant grating filter for oblique incidence , J. Opt. Soc. Am. A", 18 , pp 1261-1266, (2001]. En effet, si le mode du guide d'onde plan est TE et la période et l'angle d'incidence sont choisis de telle sorte que (k+Ks).(k+Kas) soit proche de 0, les pics en polarisation s et p sont quasiment de même largeur et très proches l'un de l'autre [Fehrembach, 2003]. Pour une valeur de (k+Ks).(k+Kas) très proche de zéro mais différente de zéro, en particulier de l'ordre de 0.01 , on peut superposer les deux pics ; ceci permet de jouer sur l'angle d'incidence pour rattraper d'éventuelles erreurs de fabrication et on obtient à la fois la superposition des pics et des largeurs comparables.La figure 3 illustre un exemple de réseau résonnant permettant d'obtenir une fonction de filtrage indépendante de la polarisation. Le réseau est à maille hexagonale non régulière, éclairé selon un de ses axes de symétrie. Le guide d'onde plan supporte un seul mode guidé TE. On a optimisé la période et l'angle d'incidence de telle
proche de kref( ). Il est possible d'obtenir un résultat similaire avec un réseau 1D lorsque k est dirigé selon l'axe d'invariance.
Les structures décrites ci-avant présentent des pics de réflectivité quelque soit la polarisation incidente et fonctionnent en incidence oblique. Cependant, la tenue à l'incidence du filtre reste couplée à sa largeur spectrale.
Le découplage entre et a été montré en incidence normale [Lemarchand, Fabien et al, Study of the resonant behaviour of waveguide gratings: increasing the angular tolerance of guided-mode filters , J. Opt. A: Pure Appl. Opt, 1, pp545-551 (1999)], mais pas en incidence oblique.
La présente invention a pour objet de proposer des filtres optiques à réseau résonnant ne présentant pas ces inconvénients.
Selon un premier aspect, l'invention consiste à proposer un filtre optique présentant une bande étroite centrée sur une longueur d'onde ( ), le filtre comportant un guide d'onde plan et un réseau formé dans ou sur le guide d'onde plan, en particulier un réseau résonnant formé dans une couche mince déposée sur le guide d'onde plan, le réseau comportant des moyens pour exciter deux modes guidés distincts du guide d'onde par un faisceau incident oblique, ainsi que, de préférence, des moyens pour découpler la tenue en incidence du filtre de sa largeur spectrale ;de préférence également, l'invention propose des moyens pour donner au filtre un profil spectral de transmission (ou réflexion) de forme carrée, c'est-à-dire comportant une plage étroite de longueur d'onde (qui est centrée sur la longueur d'onde de filtrage) dans laquelle la transmission (respectivement la réflexion) d'un faisceau incident oblique avoisine 100% ; l'incidence oblique est caractérisée par des angles (6,cp) non nuls et par la projection non nulle dans le plan du réseau du vecteur d'onde incident, k :
Pour exciter deux modes guidés distincts, l'indice et l'épaisseur de la (ou des) couche(s) mince(s) formant le guide d'onde plan sont de préférence choisis pour permettre, au voisinage de la longueur d'onde X de filtrage, la propagation de deux modes guidés distincts, et une période d1 du réseau est de préférence choisie telle que pour deux entiers relatifs distincts ni et n2, deux vecteurs correspondants du réseau réciproque,
dans le plan du réseau du vecteur d'onde de l'onde (plane) incidente, et avec les nombres d'onde respectifs des deux modes guidés, kref1( ) et
De préférence encore, le guide d'onde plan permet la propagation de deux modes guidés TE ou de deux modes guidés TM, de nombres
deux périodes (dl,d2) spatiales distinctes, selon au moins un axe (al,a2) du plan du réseau ;le réseau réciproque présente deux vecteurs Kl
qui, avec la projection (k) dans le plan du réseau du vecteur d'onde de l'onde plane incidente remplissent, pour une incidence (6,<p) non nulle
de sorte que les deux modes guidés (TE ou TM) soient excités par l'onde incidente (via K, et K2).
De préférence encore, le rapport, exprimé en nanomètre par degré,
inférieur à 1, de préférence inférieur ou égal à 0,5 ; la largeur spectrale est par exemple voisine de 0,1 nanomètre pour une tenue à l'incidence voisine de 0,2 degrés.
Selon un autre aspect de l'invention, la forme du réseau du filtre selon l'invention est choisie de telle sorte que les modules des coefficients de Fourier de permittivité K1, K2, responsables du couplage entre l'onde incidente et les deux modes guidés, soient nettement inférieurs au module du coefficient de Fourier responsable du couplage
sont de l'ordre d'un dixième de K1-K2. La réflectivité du filtre présente alors une anomalie autour de dont la largeur spectrale est reliée à K1 alors que la largeur angulaire dépend de K1-K2 : la tenue à l'incidence est découplée de la largeur en longueur d'onde; en outre, plus le rapport K1K2/ K1 est grand, plus la largeur angulaire est grande par rapport à la largeur spectrale ; les figures 2a à 2e illustrent un exemple de structure satisfaisant ces conditions.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un filtre dans lequel le réseau présente un plan (k,z) de symétrie qui est orthogonal au plan du guide d'onde et qui contient la projection (k) du vecteur d'onde de l'onde incidente dans le plan du guide, afin d'augmenter l'insensibilité du filtre à la polarisation du faisceau incident.
Selon un autre aspect de l'invention, pour obtenir une structure permettant un filtrage indépendant de la polarisation tout en ayant une bonne tenue à l'incidence, il est proposé un filtre optique comportant un réseau formé (en particulier gravé) sur un guide d'onde plan supportant deux modes guidés de même nature (TE ou TM) définis par kref1( ) et kref2( ), le réseau présentant une symétrie par rapport à un plan vertical d'incidence ; la période et l'angle d'incidence sont choisis de telle sorte que pour 4 vecteurs du réseau réciproque, symétriques 2 à 2 par rapport à
k+K2as 1 soit proche de kref2( ).
Grâce au respect de ces conditions, il existe une longueur d'onde proche de pour laquelle la structure présente deux modes propres de symétrie différentes par rapport à (k,z). L'excitation de ces deux modes se traduit par la superposition de deux pics en polarisation s et p dans la courbe de réflectivité. Ce résultat est obtenu sans spécificité particulière sur le motif du réseau. Cependant, dans le cas général, la largeur angulaire du pic de réflectivité, indépendante de la polarisation incidente, est reliée à la largeur spectrale comme exposé précédemment ; c'est pourquoi on choisit de préférence un réseau dont les coefficients de Fourier de la permittivité remplissent les conditions suivantes : le motif du réseau est
K2s= K2as; la largeur spectrale du filtre est alors découplée de la tenue en incidence.Ces conditions concernant le motif du réseau peuvent être obtenues avec un réseau périodique selon deux directions. Les figures 4d et 4e illustrent un exemple d'un tel réseau à double période . Les figures 4(a,b,c) illustrent des courbes de la réflectivité pour les deux polarisations en fonction de la longueur d'onde et des angles d'incidence et .
A cet effet, le réseau peut comporter une pluralité de motifs présentant au moins trois configurations distinctes et disposés selon un maillage carré ou triangulaire; les motifs peuvent être en forme de plots cylindriques présentant au moins trois rayons distincts ; le guide d'onde peut comporter deux ou trois couches minces déposées sur un substrat, le réseau étant gravé dans la couche externe.
Selon un autre aspect de l'invention, pour obtenir un filtre présentant un profil spectral (de transmission ou réflexion) de forme carré , il est proposé un filtre comportant une structure supportant deux
laquelle est gravée un réseau ; ce réseau est choisi (conçu) de telle sorte qu'il existe un vecteur K du réseau réciproque tel que pour deux
pour un vecteur d'onde incident de projection k dans le plan Oxy, la courbe de réflectivité en fonction de la longueur d'onde présente alors un pic de résonance en 1 et un autre en ,2. Lorsque 1 et 2 sont suffisamment proches (typiquement 1- 2= /2 pour obtenir un profil spectral de largeur ), les deux lorentziennes correspondant chacune de l'excitation d'un mode guidé, se juxtaposent pour former un profil carré.
Deux modes excités à des longueurs d'onde proches pour une même incidence s'obtiennent de préférence en prenant deux guides résonnants identiques séparés par une couche de couplage.
Une telle structure supporte deux modes : l'un dont le champ est symétrique et l'autre dont le champ est anti-symétrique par rapport au plan (Oxy). Pour une incidence donnée, ces modes sont excités à des longueurs d'onde d'autant plus proches que la couche de couplage est épaisse. Une couche de 3Microm d'épaisseur pour un indice de 1.5 permet de rapprocher les modes jusqu'à 0,05nm près (cf. figures 5a à 5c).
Les filtres selon l'invention présentent de nombreux avantages ; outre ceux mentionnés ci-avant, ils permettent de filtrer des faisceaux lumineux sortant de fibres ou de collimateurs avec une bande passante (ou réfléchie) très étroite ; ils peuvent être dotés d'un spectre de transmission (ou de réflexion) dont la caractéristique peut être extrêmement fine dans le cas d'une forme lorentzienne, ou bien peut présenter un plateau dans le cas d'un profil carré ; ils peuvent ainsi être rendus insensibles aux fluctuations de la longueur d'onde d'une source laser présentant une dérive thermique.
Les filtres selon l'invention peuvent être fabriqués par dépôt successif de quelques couches - dont le nombre est généralement réduit à trois ou quatre - sur un substrat transparent, de silice par exemple, puis gravure du réseau et, le cas échéant, assemblage tête-bêche de deux structures complémentaires de filtrage.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés, et qui illustre sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention.
Les figures la à 1d sont relatives à un filtre à réseau à mode guidé quelconque dont la largeur spectrale dépend de la divergence du faisceau incident; les figures la et lb sont deux graphes illustrant respectivement la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente et la variation de la réflectivité en fonction de l'angle d'incidence, pour un tel réseau ; la figure le est une vue de dessus du réseau illustrant une rainure rectiligne gravée dans une couche mince externe de la structure ; la figure 1d illustre schématiquement un empilement de trois couches minces sur un substrat, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches.
Les figures 2a à 2e sont relatives à un filtre à réseau à mode guidé selon un premier mode de réalisation de l'invention ; les figures 2a et 2b sont deux graphes illustrant respectivement la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente et la variation de la réflectivité en fonction de l'angle d'incidence, pour un tel réseau ; la figure 2c est un graphe illustrant le lieu du maximum de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence ; la figure 2d est une vue de dessus du réseau illustrant deux rainures rectilignes parallèles gravées dans une couche mince externe de la structure ; la figure 2e illustre schématiquement un empilement de quatre couches minces 13 à 16 sur un substrat 17, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches.
La structure illustrée figures 2d et 2e comporte un réseau 1D (repère 12) lamellaire déposé sur un guide d'onde supportant deux modes TE. Les deux modes guidés sont excités par l'onde incidente via K1 = 2 /dx et K2 = -2 /dx. Le motif du réseau lamellaire est dit à double période : sur une période d, on a gravé un premier motif en forme de rainure rectiligne 18 de largeur d/4, et un second motif en forme de rainure rectiligne 19, parallèle à la rainure 18, de largeur d/4+Ad, d étant nettement inférieur à d/4 et non nul, ces deux motifs étant séparés de d/4. Ce type de motif permet d'obtenir un coefficient de Fourier de permittivité K1-K2 permettant le couplage entre modes, qui est bien plus grand que celui ( K1= K2) permettant le couplage de l'onde incidente avec les modes guidés.Les courbes de réflectivité en fonction de l'angle d'incidence et de la longueur d'onde, figure 2a et 2b montrent que l'on a découplé la tenue à l'incidence de la largeur spectrale du filtre, en incidence oblique.
Les figures 3a à 3c sont relatives à un filtre à réseau à deux modes guidés ; la figure 3a est un graphe illustrant la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente pour un tel réseau ; la figure 3b est une vue de dessus du réseau à maille hexagonale gravé dans une couche mince externe de la structure ; la figure 3c illustre schématiquement un empilement de quatre couches minces sur un substrat, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches ; ce filtre n'est pas adapté aux faisceaux incidents obliques.
Les figures 4a à 4e sont relatives à un filtre à réseau à quatre modes guidés symétriques deux à deux, selon un second mode de réalisation de l'invention; les figures 4a à 4c sont trois graphes illustrant respectivement la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente et la variation de la réflectivité en fonction de chaque angle ( , ) d'incidence, pour un tel réseau, en polarisation s et en polarisation p; la figure 4d est une vue de dessus du réseau à plots cylindriques et maille carré gravé dans une couche mince externe de la structure ;les coordonnées (selon les axes x et y) dans le plan du réseau, du centre des quatre plots, et le rayon (R) de ces plots étaient de :
La figure 4e illustre schématiquement un empilement de quatre couches minces 13 à 16 constituant la structure du guide d'onde plan, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches ; le réseau 12 de plots A, B, C, D cylindriques disposés aux sommets d'une maille carrée, est formé dans la couche externe 13 de l'empilement.
Les figures 5a à 5c sont relatives à un filtre 11 à réseau 12 à deux modes guidés et à profil spectral approximativement carré, selon un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 5a est un graphe illustrant la variation de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde incidente pour un tel réseau ; la figure 5b est une vue de dessus du réseau illustrant une rainure 18 rectiligne gravée dans une couche mince externe de la structure ; la figure 5c illustre schématiquement un empilement de trois couches minces 13 à 15 sur chaque face d'un substrat 17, constituant la structure du filtre, sur laquelle sont indiquées les épaisseurs et indices respectifs de ces couches.
Par référence aux figures 5a à 5c et 10, pour faciliter la fabrication du filtre, il est utile d'utiliser une couche de couplage plus épaisse (d'épaisseur par exemple voisine de 200Microm), qui tient lieu de substrat lors du dépôt des couches ; la forme du profil spectral obtenu est, dans ce cas aussi, carrée ; en variante, un profil spectral carré peut être obtenu en juxtaposant les pics de résonance de plus de deux modes, comme il a déjà été proposé [Jacob,2002].
Ces techniques permettant d'obtenir un profil spectral carré sont avantageusement combinées avec les solutions proposées ci-avant pour la tenue en incidence hors incidence normale et la tenue à la polarisation ; pour obtenir, selon un autre aspect de l'invention, une structure possédant les trois propriétés, on fabrique en premier lieu une première structure (A) de filtre optimisée pour le filtrage en incidence oblique comme défini ci-avant ; on fabrique une seconde structure (B) identique à la première structure, et on rassemble ces deux structures pour former une troisième structure.
L'épaisseur de la couche 20 de couplage est ajustée afin d'obtenir le profil spectral désiré. Pour la fabrication, chacune des structures A et B est respectivement déposée sur un substrat d'épaisseur el, e2, de telle sorte que la somme (el+e2) de ces deux épaisseurs soit égale à l'épaisseur de la couche de couplage désirée pour la troisième structure (finale) obtenue par assemblage de ces deux structures.
Les figures 6 et 7 illustrent les conventions de notation utilisées pour les vecteurs d'onde par rapport à un référentiel (O,x,y,z) lié à un plan (x,y) parallèle aux couches minces et au guide d'onde.
Les figures 8 et 9 illustrent respectivement la propagation de modes TE dans un seul guide et dans deux guides solidaires d'une couche de couplage.
La figure 10 illustre schématiquement l'assemblage tête-bêche de deux structures de filtrage identiques pour former un filtre présentant un profil spectral d'absorption (ou au contraire de réflexion) de forme carré.
REVENDICATIONS
1. Filtre (11) optique présentant une bande étroite centrée sur une longueur d'onde ( ), le filtre comportant un guide d'onde plan (13 à 17) et un réseau (12) formé dans ou sur le guide d'onde plan, le filtre étant caractérisé en ce que le réseau comporte des moyens pour exciter deux modes guidés distincts du guide d'onde par un faisceau incident oblique.
1. Filtre (11) optique présentant une bande étroite centrée sur une longueur d'onde ( ), le filtre comportant un guide d'onde plan (13 à 17) et un réseau (12) formé dans ou sur le guide d'onde plan, le filtre étant caractérisé en ce que le réseau comporte des moyens pour exciter deux modes guidés distincts du guide d'onde par un faisceau incident oblique.
Claims (11)
- 2. Filtre selon la revendication 1 dans lequel l'indice et l'épaisseur du guide d'onde plan sont choisis pour permettre la propagation de deux modes guidés distincts au voisinage de la longueur d'onde ( ) de filtrage, les deux modes guidés ayant les nombres d'ondechoisie de sorte que pour deux entiers relatifs ni et n2, deux vecteurs du
- 3. Filtre selon la revendication 1 ou 2 dans lequel:- le guide d'onde plan permet la propagation de deux modes guidésrespectivement ;-le réseau présente au moins deux périodes (dl,d2) selon deux axes(al,a2) du plan du réseau ;-les périodes (ddl, d2) sont choisies de telle sorte qu'il existe des entiers relatifs (ni, ml, n2, m2) tels que deux vecteurs Kl4. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dont le rapport, exprimé en nanomètre par degré, de sa largeur spectrale ( ) exprimée en nanomètre, à sa tenue en incidence ( , ) exprimée en degré, est inférieur à 1, de préférence inférieur ou égal à 0,5, la largeur spectrale étant par exemple voisine de 0,1 nanomètre pour une tenue à l'incidence voisine de 0,2 degrés.
- 5. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le réseau comporte des moyens pour découpler la tenue en incidence du filtre de sa largeur spectrale.6. Filtre selon la revendication 5 dans lequel, dans une zone de cote (z) correspondant à la région occupée par le réseau, les modules des coefficients de Fourrier de la permittivité ( K1 et K2) associés aux vecteurs réciproques Kl et K2, permettant le couplage entre l'onde incidente et chaque mode guidé, sont inférieurs au module du coefficient de Fourrier de la permittivité ( K1-K2) permettant le couplage entre les deux modes guidés.
- 7. Filtre selon la revendication 6 dans lequel les rapports ( K1-8. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel le réseau comporte une première série de premiers motifs identiques ou rainures (18) espacé(e)s d'une première période (d) et présentant une première dimension ou largeur (d/4) mesurée selon un axe, le réseau comportant une seconde série de second(e)s motifs ou rainures (19) espacé(e)s de la même période (d) et-présentant une seconde dimension ou largeur (d/4+Ad) mesurée selon le même axe, la différence ( d) des largeurs ou dimensions étant faible et non nulle, les second(e)s motifs ou rainures étant disposé(e)s imbriqué(e)s entre les premier(e)s motifs ou rainures et espacé(e)s de ceux-ci d'une distance voisine de la moitié de la première période ou égale à cette moitié.9. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le réseau présente un plan (k,z) de symétrie qui est orthogonal au plan du guide d'onde et qui contient la projection (k) du vecteur d'onde de l'onde incidente dans le plan du guide, afin d'augmenter l'insensibilité du filtre à la polarisation du faisceau incident.10. Filtre selon la revendication 9 dans lequel :- le guide d'onde plan permet la propagation de deux modes guidésrespectivement ;- le réseau présente au moins deux périodes (dl,d2) spatiales, selon au moins deux axes (al,a2) du plan du réseau, et présente une symétrie par rapport à un plan d'incidence(k,z) orthogonal au plan du réseau;- le réseau réciproque présente quatre vecteurs (Kls, K2s, Klas et K2as) symétriques deux à deux par rapport au plan (k,z) qui, avec la projection (k) dans le plan du réseau du vecteur d'onde de l'onde plane incidente remplissent, pour une incidence (6,cp) non nulle (oblique), leskref2( ) ;du réseau permettant le couplage entre l'onde incidente et chaque mode guidé, sont inférieurs aux coefficients de fourrier de la permittivité ( K1sK2s> K1as-K2as) permettant le couplage entre les deux modes guidés ; de sorte que la structure supporte deux modes propres de symétrie différente par rapport au plan (k,z) dont l'excitation permet d'obtenir des pics en polarisation s et p proches ou superposés.
- 11. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel le réseau comporte au moins deux motifs (A, B, C, D) distincts disposés selon un maillage carré ou triangulaire.
- 12. Filtre selon la revendication 11 dans lequel les motifs sont en forme de plots cylindriques présentant au moins trois rayons distincts.13. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel le guide d'onde comporte deux ou trois couches minces déposées sur un substrat, et dans lequel le réseau est gravé.
- 14. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 dans lequel le réseau réciproque présente un vecteur (K) qui, pour deuxet encadrant la longueur d'onde centrale ( ), remplissent, pour une
- 15. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le filtre comporte deux guides résonnants identiques respectivement solidaires de deux faces opposées d'une couche (20) de couplage.
- 16. Filtre selon la revendication 15, dans lequel l'épaisseur de la couche de couplage est au moins égale à 3 microns, en particulier au moins égale à 100 ou 200 microns.17. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dont la longueur d'onde centrale de filtrage est située dans une plage allant de1500 à 1600 nanomètre.
- 18. Procédé de fabrication d'un filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 par dépôt de couches minces sur un substrat, dans lequel on dépose successivement sur un substrat au moins trois couches minces d'épaisseur et d'indice prédéterminés pour former un guide d'onde plan satisfaisant à ces conditions de propagation, on grave ledit réseau dans la couche externe de l'empilement de couches.
- 19. Procédé selon la revendication 18 dans lequel on assemble tête-bêche deux structures ainsi obtenues.20. Procédé de filtrage optique d'un faisceau lumineux polychromatique délivré par une fibre optique et/ou par un collimateur, dans lequel on utilise un filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 sous incidence oblique, le faisceau s'écartant d'au moins 5 degrés de la normale (z) au guide d'onde plan.
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Cited By (1)
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| FR2970088A1 (fr) * | 2011-01-03 | 2012-07-06 | Centre Nat Etd Spatiales | Filtre optique a reseaux resonnants insensible a la polarisation accordable en fonction de l'angle d'incidence |
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2003
- 2003-06-26 FR FR0307720A patent/FR2856804B1/fr not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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