FR3023414A1

FR3023414A1 - Detecteur propre a detecter une premiere longueur d'onde et a filtrer une deuxieme longueur d'onde

Info

Publication number: FR3023414A1
Application number: FR1456286A
Authority: FR
Inventors: Giacomo Badano; de Lamaestre Roch Espiau; Jean-Luc Reverchon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-08
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: WO2016001326A1; FR3023414B1

Abstract

L'invention concerne un détecteur (10) comprenant : - un réseau (R) de pas (P) inférieur ou égal à la première longueur d'onde, - une première couche (C1) réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant, et la première couche (C1) présentant une première épaisseur (e1) le long d'une direction d'empilement (Z), la première épaisseur (e1) étant inférieure ou égale à la première longueur d'onde, - une deuxième couche (C2) présentant des deuxièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, les deuxièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un nœud dans la première couche (C1).

Description

Détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde La présente invention concerne un détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde et un procédé de détermination des paramètres d'un tel détecteur. Les applications de suivi laser (ou de « laser tracking » selon la terminologie anglaise) et de LIDAR (acronyme de l'expression en langue anglaise « light detection and ranging » qui signifie télédétection par laser) sont utilisées avec un faisceau laser ayant une longueur d'onde appartenant aux gammes visibles et proche infrarouge jusqu'à 1500 nanomètres (nm). Une cible est illuminée par le faisceau laser et la radiation réfléchie est collectée pour mesurer la position de la cible. Le choix de la longueur d'onde du faisceau laser répond à des critères de coût et de sécurité. Par exemple, comme la cornée est opaque à 1500 nm, des intensités de faisceau du laser plus importantes à cette longueur d'onde sont envisageables.

Pour que la détection de la radiation soit possible pendant la journée, il convient de détecter les rayonnements ayant une longueur d'onde dans une bande étroite où l'atmosphère absorbe une grande partie du rayonnement solaire (ce type de détection est souvent désigné sous le terme anglais de « solar blind detection»). L'atmosphère étant notamment opaque à 1400 nm, la radiation solaire à cette longueur traverse une couche gazeuse plus épaisse que la radiation réfléchie par la cible. De ce fait, un détecteur fonctionnant à 1400 nm n'est alors pas ébloui par la radiation solaire. Pour un tel détecteur, il est désiré que trois critères soient vérifiés. Plus précisément, idéalement, il est souhaité une réjection de -30 dB et une largeur à mi-hauteur du pic d'absorption de 100 nm, tout en préservant une efficacité quantique à 1400 nm proche de l'unité. Il est notamment connu des documents US-A-5 574 286 et US-A-4 731 881 des filtres et du document de Razeghi publié dans IEEE proceedings, 2002, 90, 1006-1014 une structure métallique pour des applications de type « solar blind detection ». Toutefois, aucune de ces solutions ne permettent d'obtenir une rejection de -30dB de manière aisée. Il existe donc un besoin pour un détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde avec une meilleure réjection et qui soit de mise en oeuvre plus aisée. A cet effet, l'invention a pour objet un détecteur propre à détecter une première longueur d'onde et à filtrer une deuxième longueur d'onde comprenant un réseau s'étendant le long d'une direction longitudinale et présentant une structuration se répétant avec un pas le long de la direction longitudinale, le réseau étant propre à réfléchir au moins partiellement une onde incidente et le pas étant inférieur ou égal à la première longueur d'onde, une première couche réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant, et la première couche présentant une première épaisseur le long d'une direction d'empilement perpendiculaire à la direction longitudinale, la première épaisseur étant inférieure ou égale à la première longueur d'onde, et une deuxième couche superposée avec la première couche le long de la direction d'empilement, la deuxième couche présentant des deuxièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, les deuxièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un noeud dans la première couche. Suivant des modes de réalisation particuliers, le détecteur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la première couche présente un premier indice effectif et le réseau présente un pas, le pas étant égal au rapport entre la première longueur d'onde et le premier indice optique effectif. - la première épaisseur est inférieure ou égale à 2/10 de la première longueur d'onde, de préférence inférieure ou égale à 2/100 de la première longueur d'onde. - la première couche présente un plan central perpendiculaire à la direction d'empilement, les deuxièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un noeud contenu dans le plan central de la première couche. - la deuxième couche est disposée entre le réseau et la première couche, le détecteur comprenant en outre une troisième couche disposée de sorte que la première couche soit disposée entre la deuxième couche et la troisième couche, la troisième couche présentant des troisièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, les troisièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un noeud dans la première couche. - la deuxième couche est réalisée en un deuxième matériau diélectrique présentant un deuxième indice optique et présente une deuxième épaisseur le long de la direction d'empilement, les deuxièmes paramètres étant le deuxième indice optique et la deuxième épaisseur. - la troisième couche est réalisée en un troisième matériau diélectrique présentant un troisième indice optique et présente une troisième épaisseur le long de la direction d'empilement, les troisièmes paramètres étant le troisième indice optique et la troisième épaisseur. - la première couche présente un plan central, les troisièmes paramètres étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un noeud contenu dans le plan central de la première couche. - le détecteur comprend, en outre, une quatrième couche disposée entre la deuxième couche et la première couche, la quatrième couche présentant des quatrièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde, et une cinquième couche disposée entre la troisième couche et la première couche, la cinquième couche présentant des cinquièmes paramètres influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde. Les quatrièmes paramètres et cinquièmes paramètres sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un noeud dans la première couche. - la quatrième couche est réalisée en un quatrième matériau diélectrique présentant un quatrième indice optique et présente une quatrième épaisseur le long de la direction d'empilement, les quatrièmes paramètres étant le quatrième indice optique et la quatrième épaisseur et la cinquième couche est réalisée en un cinquième matériau diélectrique présentant un cinquième indice optique et présente une cinquième épaisseur le long de la direction d'empilement, les cinquièmes paramètres étant le cinquième indice optique et la cinquième épaisseur. - les matériaux diélectriques des différentes couches sont des matériaux semiconducteurs à base de matériaux des colonnes IIIA et VA de la classification périodique. - les matériaux diélectriques des différentes couches sont des matériaux semiconducteurs à base de matériaux des colonnes II et VI de la classification périodique. - les matériaux diélectriques des différentes couches sont des nitrures, des oxydes de silicium ou du sulfure de zinc. L'invention concerne aussi un procédé de détermination des paramètres d'un détecteur tel que précédemment décrit, les paramètres incluant au moins les deuxièmes paramètres. Le procédé de détermination comporte une étape de détermination des paramètres pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde présente un noeud dans la première couche.

Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le procédé comporte une étape de fixation de la deuxième épaisseur initiale à une valeur égale à k*À2/(4*n2) Où - n2 est le deuxième indice, - À2 est la deuxième longueur d'onde, et - k est un entier. - à l'étape de détermination, l'onde illuminant le détecteur est une onde polarisée selon un mode transverse électrique ou une onde polarisée selon un mode transverse magnétique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : - figure 1, une vue schématique en coupe d'un exemple de détecteur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - figure 2, une vue schématique en coupe d'un exemple de détecteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - figure 3, une vue schématique en coupe d'un exemple de détecteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - figures 4 à 7, des exemples d'assemblages de couches obtenus lors d'un procédé de fabrication du détecteur selon la figure 3 ; - figure 8, un graphe illustrant la variation spectrale de l'absorption et de la réflexion d'un détecteur avec et sans structuration en mode TE ; - figures 9 à 17, des graphes illustrant la variation spectrale de l'absorption d'un détecteur selon la figure 3 pour différents paramètres en mode TE ; - figures 18 et 19, des graphes illustrant la variation spectrale de l'absorption et de la réflexion d'un détecteur avec et sans structuration en mode TM pour différents paramètres, et - figures 20 à 23, des graphes illustrant la variation spectrale de l'absorption et de la réflexion d'un détecteur avec et sans structuration en mode TM. Pour la suite de la description, il est défini une direction longitudinale. Il est également défini une direction d'empilement. Cette direction d'empilement est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et contenue dans le plan de la figure 1. Cette direction correspond à une direction générale de propagation de la lumière. Les directions longitudinale et d'empilement sont respectivement symbolisées par un axe X et un axe Z sur la figure 1. Une voie permettant de renforcer l'absorption d'un semi-conducteur autour d'une longueur d'onde donnée tout en garantissant la réjection des autres longueurs d'onde est la concentration de photons via des nanostructures métalliques. Dans ce qui suit, il est proposé un choix judicieux de la géométrie de la structure ainsi que des paramètres d'empilement technologique permettant, avec une seule structuration, de renforcer l'absorption et d'augmenter la réjection. Autrement dit, il est proposé une structure métallique couplée aux propriétés optiques d'un empilement pour renforcer le champ et filtrer les longueurs d'ondes adjacentes. Il est proposé de dimensionner un dispositif comprenant à la fois une cavité Fabry- Pérot et une structuration à proximité d'une couche absorbante pour obtenir un détecteur 10 propre à détecter une première longueur d'onde À, et à filtrer une deuxième longueur d'onde À2. Ce détecteur 10 est représenté à la figure 1. De préférence, la première longueur d'onde À, appartient à une bande de fréquences dans laquelle l'atmosphère terrestre est absorbante. Par exemple, une bande de fréquences centrée autour de 1400 nm et de largeur 200 nm est une telle bande de fréquences. A titre d'illustration, la première longueur d'onde À, est égale à 1400 nm.

Lorsque la première longueur d'onde À, appartient à une bande de fréquences dans laquelle l'atmosphère terrestre est absorbante, le détecteur 10 est particulièrement adapté pour des applications de suivi laser ou de télémétrie laser. Avantageusement, le détecteur est propre à fonctionner pour un environnement présentant une bande d'absorption donnée, la différence entre la première longueur d'onde À, et la deuxième longueur d'onde À2 est liée à la largeur de la bande d'absorption de l'environnement De préférence, la différence entre la première longueur d'onde À, et la deuxième longueur d'onde À2 est inférieure à 200 nm, de préférence inférieure à 100 nm. Le détecteur 10 comporte un miroir structuré sous la forme d'un réseau R s'étendant le long de la direction longitudinale X, une première couche Cl et une deuxième couche C2. La deuxième couche C2 est superposée avec la première couche Cl le long de la direction d'empilement Z. Ainsi, la deuxième couche C2 et la première couche Cl forment un empilement de couches le long de la direction d'empilement Z.

Selon la figure 1, la deuxième couche C2 est disposée entre la première couche Cl et le réseau R.

Toutefois, la position de la deuxième couche C2 par rapport à la première couche Cl est indifférente. En effet, en variante, la première couche Cl est disposée entre le réseau R et la deuxième couche C2. De préférence, dans ce cas, une autre couche que la deuxième couche C2 sépare la première couche Cl du réseau R.

Le réseau R est propre à réfléchir au moins partiellement une onde incidente. Le réseau R joue ainsi le rôle d'un miroir dans la direction d'empilement Z. Plus précisément, le réseau R a pour effet de diffracter la lumière dans un mode guidé dans la première couche Cl et la longueur d'onde voulue. De ce fait, le photon guidé a une probabilité très élevée d'être absorbé par la première couche Cl bien que la première couche Cl soit relativement fine (car le photon est alors localisé). Le réseau R présente une structuration se répétant avec un pas P le long de la direction longitudinale X. De préférence, la structuration est adaptée pour que la réflexion d'une onde incidente sur le réseau R dans la direction d'empilement Z soit maximale.

Pour accentuer cet effet, le réseau R est métallique. Par exemple, le réseau R est en or. Par exemple, la structuration est en créneau rectangulaire avec des flancs inclinés mais tout autre forme est envisageable. Pour la suite, l'étendue de la structuration le long de la direction longitudinale X est notée L.

Le pas P du réseau R est inférieur ou égal à la première longueur d'onde À1. Ceci s'écrit mathématiquement P À1. De préférence, le pas P du réseau R est compris entre 1/10 de la première longueur d'onde À1 et 3/4 de la première longueur d'onde À1. Ceci s'écrit mathématiquement de la manière suivante : 1/10.À1 P 3/4. À1 De préférence, la structuration présente une dimension le long de la direction d'empilement Z très inférieure à la première longueur d'onde X1. Le réseau R est un réseau R sub-nanométrique. Un tel réseau R pourvu de structurations permet d'augmenter l'efficacité quantique du détecteur 10 en renforçant le champ électrique. En outre, le réseau R supporte des modes de surface. La première couche Cl est réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant. La première couche Cl présente une première épaisseur el le long de la direction d'empilement Z. La première épaisseur el est inférieure ou égale à la première longueur d'onde À1. Ceci s'écrit mathématiquement el À1. Une épaisseur el de la première couche Cl relativement faible permet de limiter l'absorption du rayonnement incident qui a lieu dans tout le spectre lumineux. La deuxième couche C2 présente des deuxièmes paramètres P2 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2. Ces deuxièmes paramètres P2 sont, de manière générale, les paramètres de la deuxième couche C2 influençant la propagation d'un champ électrique à la deuxième longueur d'onde À2. Il est possible de choisir d'exprimer les deuxièmes paramètres P2 de différentes manières. Par exemple, la deuxième couche C2 est réalisée en un deuxième matériau diélectrique présentant un deuxième indice optique n2. Lorsque le terme « indice » est utilisé pour un milieu, ce terme renvoie à l'indice de réfraction de ce milieu, qui est une grandeur sans dimension caractéristique de ce milieu et décrivant le comportement de la lumière dans ce milieu. Dans le cas où le milieu est à gradient d'indice, le terme « indice » renvoie à la moyenne de l'indice dans ce milieu. La deuxième couche C2 présente aussi une deuxième épaisseur e2 le long de la direction d'empilement Z. La deuxième épaisseur e2 est la distance entre l'interface de la deuxième couche C2 en contact avec la première couche Cl et le point le plus haut du réseau R. En l'occurrence, la deuxième épaisseur e2 est la distance entre cette interface et la structuration rectangulaire. Dans ce cas, les deuxièmes paramètres P2 sont le deuxième indice optique n2 et la deuxième épaisseur e2. En variante, les coefficients de transmission, d'absorption de la deuxième couche C2 sont les deuxièmes paramètres P2.

Les deuxièmes paramètres P2 sont choisis pour que, lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2, le champ électrique généré dans le détecteur 10 présente un noeud dans la première couche C1. Le détecteur 10 présente un noeud dans la première couche Cl si un point de la première couche Cl est telle que l'amplitude du champ électrique est nulle au cours du temps. De manière alternative et équivalente, il peut être considéré que le dispositif 10 une cavité Fabry-Pérot et une structuration. Dans la suite de la description, les deux points de vue sont utilisés indifféremment. Le détecteur 10 proposé présente une bonne efficacité quantique à la première longueur d'onde À1.

Cet effet est augmenté si la première couche Cl présente un premier indice effectif neff, et le réseau R présente un pas P égal au rapport entre la première longueur d'onde À1 et le premier indice optique effectif neffi. On entend par indice optique effectif l'indice associé à un mode de propagation.

En effet, selon la répartition de champ, chaque mode de propagation voit un indice différent des matériaux constituant le milieu dépendant de chaque mode de propagation. L'indice vu par chaque mode de propagation définit l'indice effectif. Cette relation s'écrit mathématiquement P = À1/neff, Ainsi, le réseau R est dimensionné de façon à coupler au mode guidé d'indice le plus grand dans la première couche C1. Un réseau R vérifiant une telle relation permet d'augmenter l'émission de lumière dans le détecteur 10 à la première longueur d'onde À1 lorsque celui-ci est éclairé par une onde à la première longueur d'onde À1.

Le détecteur 10 proposé présente également une bonne réjection de la deuxième longueur d'onde À2. En outre, le détecteur 10 est aisé à mettre en oeuvre, ce qui diminue notamment les coûts de fabrication d'un tel détecteur 10 comparés aux coûts impliqués dans la fabrication d'un détecteur selon l'état de la technique.

Pour augmenter encore la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde À2, dans un mode de réalisation, la première épaisseur el est inférieure à 2/10 de la première longueur d'onde À1, de préférence inférieure à 2/100 de la première longueur d'onde À1. Cela permet de limiter l'absorption dans la première couche Cl de lumière non guidée dans ladite couche C1, c'est-à-dire la lumière se propageant le long de la direction d'empilement Z. Une autre manière est d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde À2 est de positionner le noeud dans une position centrale. Par exemple Lorsque la première couche Cl présente un plan central Pcentral perpendiculaire à la direction d'empilement Z, pour augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde À2, les deuxièmes paramètres P2 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2 présente un noeud contenu dans le plan central Pcentral de la première couche C1. Une troisième manière d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde À1 est de considérer un ensemble de couches plus importants et de choisir les paramètres de la ou des couches additionnelles de sorte que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde X2 présente un noeud dans la première couche C1. Cette troisième manière sera illustrée plus en détail lorsque les deux cas particuliers des figures 2 et 3 seront décrits plus précisément dans la suite de la description.

Pour obtenir une réjection optimale, il est possible de combiner les trois approches précédentes, c'est-à-dire combiner une première épaisseur el relativement faible de la première couche C1, positionner le noeud dans une position centrale et ajouter une ou plusieurs couches additionnelles. A titre d'exemple, les matériaux diélectriques des différentes couches C1, C2 sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes IIIA et VA de la classification périodique ou des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes II et VI de la classification périodique. Selon un autre exemple, il est également considéré pour les matériaux des différentes couches C1, C2 tout matériau de passivation connu de l'homme du métier, comme par exemple les nitrures, les oxydes de silicium ou le sulfure de zinc (ZnS). Cela permet d'obtenir un détecteur 10 de fabrication aisée. Ces couches C1, C2 forment un empilement typique de semi-conducteur dit « Il-VI » ou « III-V », comprenant notamment une couche absorbante et en option des couches de passivation optique et électrique n'impliquant aucune étape supplémentaire de croissance. En particulier, aucun filtre de Bragg ou autres types de filtres optiques obtenus par des structures diélectriques ne sont à réaliser. Il est également proposé un procédé de détermination des paramètres du détecteur 10 présenté en référence à la figure 1. Les paramètres incluent au moins les deuxièmes paramètres P2. Le procédé de détermination comporte une étape de détermination des paramètres pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2 présente un noeud dans la première couche C1. Un tel procédé permet d'obtenir un détecteur 10 présentant une bonne efficacité quantique à la première longueur d'onde À1.

Pour faciliter la convergence du procédé de détermination, il est avantageux de fixer une deuxième épaisseur initiale e2intiale et d'optimiser ensuite cette deuxième épaisseur initiale e2intiale pour que la condition d'obtention d'un noeud dans la première couche Cl soit vérifiée. A l'étape de fixation, la deuxième épaisseur initiale e2intiale est choisie égale à k*À2/(4*n2) avec k un entier.

En outre, avantageusement, à l'étape de détermination, l'onde illuminant le détecteur 10 est une onde polarisée selon un mode transverse électrique ou une onde polarisée selon un mode transverse magnétique. La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation pour le détecteur 10. Les éléments identiques au premier mode de réalisation de la figure 1 ne sont pas décrits à nouveau. Seules les différences sont mises en évidence. Le détecteur 10 comprend, en outre, une troisième couche C3 disposée de sorte que la première couche Cl soit disposée entre la deuxième couche C2 et la troisième couche C3.

La troisième couche C3 présentent des troisièmes paramètres P3 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2. De même que pour les deuxièmes paramètres P2, les troisièmes paramètres P3 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2 sont, de manière générale, les paramètres de la troisième couche C3 influençant la propagation d'un champ électrique à la deuxième longueur d'onde À2. A titre d'exemple particulier, la troisième couche C3 est réalisée en un troisième matériau diélectrique présentant un troisième indice optique n3 et présente une troisième épaisseur e3 le long de la direction d'empilement Z les troisièmes paramètres P3 sont le troisième indice optique n3 et la troisième épaisseur e3. De manière générale, les troisièmes paramètres P3 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2 présente un noeud dans la première couche 01.

La présence de la troisième couche C3 permet d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde À2. De préférence, pour augmenter encore plus cette rejection, les troisièmes paramètres P3 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2 présente un noeud contenu dans le plan central Pcentral de la première couche C1. En outre, dans certains modes de réalisation, la troisième couche C3 joue également un rôle de couche de passivation encapsulant la première couche Cl pour protéger la première couche Cl d'éventuelles réactions chimiques avec les couches environnantes, pouvant entrainer une dégradation des performances électriques du détecteur 10.

La figure 3 illustre un troisième mode de réalisation pour le détecteur 10. Les éléments identiques au deuxième mode de réalisation de la figure 2 ne sont pas décrits à nouveau. Seules les différences sont mises en évidence. Le détecteur 10 comprend une quatrième couche C4 disposée entre la deuxième couche C2 et la première couche C1, la quatrième couche C4 présentant des quatrièmes paramètres P4 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2. Des remarques similaires à celles faites pour les deuxièmes paramètres P2 s'appliquent pour les quatrièmes paramètres P4. Notamment, à titre d'exemple, si la quatrième couche C4 est réalisée en un quatrième matériau diélectrique présentant un quatrième indice optique n4 et présente une quatrième épaisseur e4 le long de la direction d'empilement Z, les quatrièmes paramètres P4 sont le quatrième indice optique n4 et la quatrième épaisseur e4. Le détecteur 10 selon le troisième mode de réalisation comprend également une cinquième couche C5 disposée entre la troisième couche C3 et la première couche C1, la cinquième couche C5 présentant des cinquièmes paramètres P5 influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2. Des remarques similaires à celles faites pour les deuxièmes paramètres P2 s'appliquent pour les cinquièmes paramètres P5. Notamment, à titre d'exemple, si la cinquième couche C5 est réalisée en un cinquième matériau diélectrique présentant un cinquième indice optique n5 et présente une cinquième épaisseur e5 le long de la direction d'empilement Z, les cinquièmes paramètres P5 sont le cinquième indice optique n5 et la cinquième épaisseur e5.

Les quatrièmes paramètres P4 et cinquièmes paramètres P5 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2 présente un noeud dans la première couche 01. La présence des quatrième et cinquième couches C4, C5 permet d'augmenter la réjection du détecteur 10 à la deuxième longueur d'onde À2.

De préférence, pour augmenter encore plus cette rejection, les quatrièmes et cinquièmes paramètres P4, P5 sont choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur 10 est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde À2 présente un noeud contenu dans le plan central Pcentral de la première couche C1. En outre, dans certains modes de réalisation, la quatrième couche C4 et la cinquième couche C5 jouent également un rôle de couche de passivation tandis que la deuxième couche C2 et la troisième couche C3 jouent un rôle de couche d'espacement, permettant d'éloigner la première couche Cl du réseau R métallique et de l'air, afin d'en préserver l'intégrité chimique De nouveau, il peut être observé que dans le mode de réalisation de la figure 3, comme pour les deux modes de réalisation précédents, la fabrication est aisée ainsi que le montrent les figures 4 à 7. Le réseau R métallique peut être réalisé soit sur la surface, avant le retrait du substrat (voir figure 5), soit sur la face arrière une fois le substrat retiré (voir figure 7). Les figures 4 à 7 illustrent une succession possible d'étapes de réalisation d'un détecteur 10 selon la figure 3.

La figure 4 illustre la structure issue de la croissance et supportée par le substrat InP. Le substrat supporte quatre couches superposées qui sont en allant de la plus proche à la plus lointaine du substrat : la troisième couche en InGaAs, la cinquième couche en InP de type n, la première couche en InGaAs et la quatrième couche en InP de type n.

La figure 5 montre le dépôt d'une couche d'espacement et du réseau R métallique. Le substrat supporte alors cinq couches superposées qui sont en allant de la plus proche à la plus lointaine du substrat : la troisième couche en InGaAs, la cinquième couche en InP de type n, la première couche en InGaAs et la quatrième couche en InP de type n et une couche comportant la deuxième couche en SIN et le réseau R métallique.

La figure 6 montre le collage au circuit de lecture (indiquée par les lettres ROIC sur la figure 6). Plus précisément, le circuit de lecture est collé à la couche comportant la deuxième couche en SIN et le réseau R métallique. Le substrat est retiré par voie chimique. La lumière collectée rentre d'abord par la couche opposée au circuit de lecture, c'est-à-dire la troisième couche en InGaAs dans cette configuration du détecteur 10 selon la figure 3 De manière alternative, la figure 7 montre la configuration finale d'un détecteur 10 illuminé par la face arrière ainsi que l'indiquent les flèches. Dans ce cas, la lumière rentre par le circuit de lecture. En outre, le circuit de lecture est collé à une couche en SiN non présente dans le cas de la figure 6. La couche en SiN supporte alors cinq couches superposées qui sont en allant de la plus proche à la plus lointaine du substrat : la troisième couche en InGaAs, la cinquième couche en InP de type n, la première couche en InGaAs et la quatrième couche en InP de type n et une couche comportant la deuxième couche en SIN et le réseau R métallique. De plus, le détecteur 10 selon la figure 7 comporte un trou borgne tranversant toutes les couches à l'exception du circuit de lecture Comme expliqué précédemment, les structures des figures 2 et 3 ne sont pas limitatives sur le nombre de couches. En particulier, des structures à quatre couches C1, C2, C3, C4 ou à plus de cinq couches sont envisageables. Dans la suite de la description, des exemples de performances obtenues pour un détecteur 10 présentant cinq couches C1, C2, C3, C4, C5 sont présentées après avoir détailler un exemple de détermination des différents paramètres des différentes couches C1, C2, C3 C4, C5 du détecteur 10 selon la figure 3. Afin de minimiser l'absorption de la radiation à des longueurs d'onde non utiles du détecteur 10, il est possible de bénéficier du Fabry Pérot du détecteur 10 en imposant un minimum à une longueur d'onde À2 de réjection donnée. A titre illustratif, il est choisi que À1 = 1400 nm et que À2 = 1300 nm. Il est considéré, pour la suite, que la première couche Cl est réalisée en d'InGaAs d'indice n1=3,56 + 0,18i et que les quatrième et cinquième couches C4 et C5 sont réalisées en SIN avec un quatrième et cinquième indice 2. En outre, les deuxième et troisième couches C2, C3 sont réalisées en InP. Les indices associés sont tels que n2=n3=3,18. Il est supposé que la première épaisseur el est connue. Il se pose alors la question de la détermination des épaisseurs e2, e3, e4 et e5 des deuxième, troisième, quatrième et cinquième couches C2, C3, C4 et C5. A titre d'illustration, il est en outre supposé que les quatrième et cinquième épaisseurs e4 et e5 des couches C4 et C5 sont égales. Cette relation n'est pas contraignante et il peut être envisagé des modes de réalisation dans lesquels la quatrième épaisseur e4 et la cinquième épaisseur e5 sont différentes. La condition d'obtention d'un noeud de champ dans le plan central Pcentral, de la première couche Cl se traduit en une condition de phase sur le champ traversant les troisième, quatrième et cinquième couches C3, C4 et C5. La condition d'obtention s'écrit : (1)1+ (p2- (1)1 + n= 0 [u] où : - (p1 est la phase cumulée suite à la traversée des troisième et cinquième couches C3 et C5 et de la moitié de la première couche C1, et - (p2 est la phase totale de l'onde réfléchie par le réseau R. Cette condition se traduit par une condition sur les épaisseurs e1, e4, e5 des première, quatrième et cinquième couches C1, C4 et C5 uniquement. Explicitement, en exprimant les phases comme des chemins optiques, la condition s'écrit : n1 el +2 n2 e2 + 2 n3 e3+ À2/2= 0 [À2] (relation 1) Toutefois, il est à noter que d'autres conditions de phase conviennent. Par exemple, alternativement un maximum de mode Fabry-Pérot est imposé à une longueur d'onde proche de À2, se superposant au pic d'origine diffractive afin de ralentir le mode et de disposer d'une radiation à des longueurs d'onde non utiles décroissant des deux cotés du pic diffractif. Du fait de la perturbation introduite par l'absorption de la première couche C1, le fonctionnement du Fabry Pérot s'éloigne de l'idéalité décrite par la relation 1. Ainsi, seul le calcul numérique de la relation 1 donne les épaisseurs correctes. Pour une telle optimisation numérique, une figure de mérite (FOM) est définie comme le rapport entre l'efficacité quantique à la première longueur d'onde À1 et l'efficacité quantique à la deuxième longueur d'onde À2. La minimisation de la figure de mérite en fonction de la deuxième épaisseur e2 converge par définition sur le meilleur choix de background compatible avec la forme spectrale du pic diffractif. Une fois fixée la deuxième épaisseur e2, il reste encore un degré de liberté sur les troisième, quatrième et cinquième épaisseurs e3, e4 et e5. Comme il est supposé que les épaisseurs e4 et e5 sont égales par simplicité, il reste deux degrés de liberté. Ces deux degrés de liberté déterminent, avec la deuxième épaisseur e2, les modes guidés du détecteur 10. Selon l'invention, il est proposé de considérer des modes très localisés et isolés dans l'espace des paramètres, pour éviter le recouvrement entre modes et l'apparition de pics parasites à des longueurs d'onde proches de la première longueur d'onde À1. En polarisation TE ou mode TE (absence de plasmons c'est-à-dire que le champ électrique incident est polarisé perpendiculairement au plan d'incidence), sans rentrer dans le détail du calcul modal d'un empilement comme celui de figure 3, il est possible d'exploiter le contraste d'indice entre les matériaux des deuxième et troisième couches C2, C3 (diélectriques d'indice proche de 2) et les matériaux des première, quatrième et cinquième couches C1, C4 et C5 (semi-conducteurs d'indice supérieur à 3). Dès lors, l'homme du métier saura concevoir le détecteur 10 en choisissant la première épaisseur e1, puis en choisissant la quatrième épaisseur e4 et la cinquième épaisseur e5 selon les contraintes technologiques de passivation électrique, par exemple 150 nm et enfin, choisir les deuxième et troisième épaisseurs e2 et e3 selon les contraintes technologiques de distance au réseau R et de passivation chimique de l'interface avec l'air, donc assez épais (typiquement 150 nm) pour passiver la couche et pour faire apparaître un mode guidé.

En mode TM (c'est-à-dire que le champ magnétique incident est polarisé perpendiculairement au plan d'incidence), des modes plasmon sont toujours présents pour toutes les épaisseurs. Cette propriété peut être exploitée pour ralentir les modes guidés avec un mode plasmon à la même fréquence. Toutefois, il convient de limiter la richesse modale pour éviter l'absorption à toutes longueurs d'onde. Grâce aux règles de dimensionnement données, plusieurs variantes de détecteurs 10 ayant essentiellement les mêmes performances sont concevables en mode TE pour À1 = 1400nm et À2 = 1300 nm. L'optimisation numérique basée sur la FOM donne les valeurs du tableau 1 ci-dessous. Dans ces premiers calculs numériques, la première couche Cl est en InGaAs alors que le réseau R est en or.

Exemples el e2 e3 e4 e5 P L A1400/A1300 (dB) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm) 1 30 28 170 80 80 536 148 9 2 30 158 350 80 80 517 180 9 3 30 27 520 80 80 536 164 10 4 30 5 105 120 120 504 243 12 5 30 43 280 120 120 493 231 13 6 30 25 450 120 120 493 48 10 7 10 73 205 80 80 549 150 18 8 10 140 380 80 80 539 128 16 9 10 64 555 80 80 550 118 18 10 10 75 320 120 120 506 292 22 11 10 45 490 120 120 509 225 20 Tableau 1 Exemples adaptés à fonctionner en mode TE Pour une première épaisseur el de 30 nanomètres, la figure 8 montre l'évolution de l'absorption et de la réflexion du détecteur 10 comparé à un détecteur dépourvu du réseau R respectivement. L'analyse de la figure 8 montre bien l'effet voulu, à savoir une détection d'une longueur d'onde accompagnée d'une bonne réjection autour. Egalement pour une première épaisseur el de 30 nanomètres, les courbes des figures 9 à 12 présentent l'évolution de l'absorption du détecteur 10 en fonction de la longueur d'onde pour des paramètres différents. Plus précisément, la figure 9 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport au pas P du réseau R, la figure 10 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à la longueur L de chaque structuration ; la figure 11 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à la deuxième épaisseur e2 et la figure 12 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à l'angle d'incidence de la lumière (un angle d'incidence nul correspondant à une lumière dont la direction principale est selon la direction d'empilement Z). Dans le cas des figures 9 à 11, les paramètres considérés évoluent sur plage de + ou -10% de la valeur nominale du paramètre, la valeur nominale étant celle donnée par le tableau 1. A l'examen des figures 9 à 12, il apparaît que la longueur L de chaque structuration est relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10. D'autres tests similaires effectués par la demanderesse ont montré que la hauteur et la forme de la structuration étaient également relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10. Comme attendu, le pas P du réseau R permet de choisir la longueur d'onde que le détecteur 10 est propre à détecter. La deuxième épaisseur e2 qui permet de déterminer l'indice effectif du mode couplé par diffraction et l'incidence apparaissent également comme deux paramètres importants pour la conception du détecteur 10. Les figures 13, 14, 16 et 17 correspondent respectivement aux figures 9, 10, 11 et 12 pour une première épaisseur el de 10 nm au lieu d'une première épaisseur el de 30 nm. La figure 15 illustre la sensibilité de l'absorption du détecteur 10 par rapport à la hauteur H de chaque structuration. A l'examen des courbes proposées dans les figures 13 à 17, il apparaît que les mêmes conclusions que celles dressées à partir de l'examen des figures 9 à 12 s'appliquent. Similairement au cas des exemples 1 à 11, plusieurs variantes de détecteurs 10 sont concevables en mode TM pour À1 = 1400 nm et À2 = 1300 nm. L'optimisation numérique donne les valeurs du tableau 2 ci-dessous : Exemples el e2 e3 e4 e5 P L A1400/A1300 (dB) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm) 12 50 152 132 80 80 593 459 13 13 50 90 307 80 80 876 719 6 14 50 144 482 80 80 579 440 13 15 50 67 68 120 120 535 421 13 16 50 79 243 120 120 513 440 10 17 50 56 412 120 120 522 425 13 18 10 224 205 80 80 637 500 16 19 10 193 380 80 80 622 504 13 20 10 228 555 80 80 624 479 16 21 10 230 141 120 120 562 432 12 22 10 204 316 120 120 556 478 16 23 10 212 491 120 120 556 435 12 Tableau 2 : Exemples adaptés à fonctionner en mode TM25 Il est à noter qu'en fonctionnement, il est observé la présence simultanée d'une excitation plasmon polariton et d'un mode magnétique guidé. Les figures 18 et 19 montrent l'évolution de l'absorption et de la réflexion du détecteur 10 comparé à un détecteur dépourvu du réseau R respectivement pour une première épaisseur el de 50 nanomètres et une première épaisseur de 10 nanomètres. L'analyse des figures 18 et 19 montre bien l'effet voulu, à savoir une détection d'une longueur d'onde accompagnée d'une bonne réjection autour. Pour une première épaisseur el de 10 nanomètres et un fonctionnement en mode TM, les figures 20, 21, 22 et 23 correspondent respectivement aux figures 9, 10, 11 et 12.

De nouveau, il apparaît que à la longueur L de chaque structuration est relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10. D'autres tests similaires effectués par la demanderesse ont montré que la hauteur et la forme de la structuration étaient également relativement sans influence significative pour le fonctionnement du détecteur 10.

En outre, comme attendu, le pas P du réseau R permet de choisir la longueur d'onde que le détecteur 10 est propre à détecter. La deuxième épaisseur e2 qui permet de déterminer l'indice effectif du mode couplé par diffraction et l'incidence apparaissent également comme deux paramètres importants pour la conception du détecteur 10. Plus généralement, il est proposé un empilement permettant de diminuer le background. La conception de cet empilement permet de choisir des modes guidés pour bénéficier d'une absorption améliorée à une première longueur d'onde À1, sans pics parasites ailleurs. Optionnellement, l'empilement permet de coupler des modes guidés à des modes plasmon-polariton pour bénéficier d'une meilleure acceptance angulaire.25

Claims

REVENDICATIONS1.- Détecteur (10) propre à détecter une première longueur d'onde (À1) et à filtrer une deuxième longueur d'onde (À2) comprenant : - un réseau (R) s'étendant le long d'une direction longitudinale (X) et présentant une structuration se répétant avec un pas (P) le long de la direction longitudinale (X), le réseau (R) étant propre à réfléchir au moins partiellement une onde incidente et le pas (P) étant inférieur ou égal à la première longueur d'onde (À1), - une première couche (C1) réalisée en un premier matériau diélectrique absorbant, et la première couche (C1) présentant une première épaisseur (el ) le long d'une direction d'empilement (Z) perpendiculaire à la direction longitudinale (X), la première épaisseur (el) étant inférieure ou égale à la première longueur d'onde (À1), et - une deuxième couche (C2) superposée avec la première couche (C1) le long de la direction d'empilement (Z), la deuxième couche (C2) présentant des deuxièmes paramètres (P2) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2), les deuxièmes paramètres (P2) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2) présente un noeud dans la première couche (C1).
2.- Détecteur selon la revendication 1, dans lequel la première couche (C1) présente un premier indice effectif (neffi) et le réseau (R) présente un pas (P), le pas (P) étant égal au rapport entre la première longueur d'onde (À1) et le premier indice optique effectif (neffi).
3.- Détecteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première épaisseur (el) est inférieure ou égale à 2/10 de la première longueur d'onde (À1), de préférence inférieure ou égale à 2/100 de la première longueur d'onde (À1).
4.- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première couche (C1) présente un plan central (Pcentral) perpendiculaire à la direction d'empilement (Z), les deuxièmes paramètres (P2) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2) présente un noeud contenu dans le plan central (Pcentral) de la première couche (C1).
5.- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième couche (C2) est disposée entre le réseau (R) et la première couche (C1), le détecteur (10) comprenant en outre : - une troisième couche (C3) disposée de sorte que la première couche (C1) soit disposée entre la deuxième couche (C2) et la troisième couche (C3), la troisième couche (C3) présentant des troisièmes paramètres (P3) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2), les troisièmes paramètres (P3) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2) présente un noeud dans la première couche (C1).
6.- Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la deuxième couche (C2) est réalisée en un deuxième matériau diélectrique présentant un deuxième indice optique (n2) et présente une deuxième épaisseur (e2) le long de la direction d'empilement (Z), les deuxièmes paramètres (P2) étant le deuxième indice optique (n2) et la deuxième épaisseur (e2).
7.- Détecteur selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la troisième couche (C3) est réalisée en un troisième matériau diélectrique présentant un troisième indice optique (n3) et présente une troisième épaisseur (e3) le long de la direction d'empilement (Z), les troisièmes paramètres (P3) étant le troisième indice optique (n3) et la troisième épaisseur (e3).
8.- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel la première couche (01) présente un plan central (Pcentral), les troisièmes paramètres (P3) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2) présente un noeud contenu dans le plan central (Pcentral) de la première couche (01).
9.- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, comprenant, en outre : - une quatrième couche (C4) disposée entre la deuxième couche (C2) et la première couche (C1), la quatrième couche (C4) présentant des quatrièmes paramètres (P4) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2), et- une cinquième couche (C5) disposée entre la troisième couche (C3) et la première couche (C1), la cinquième couche (C5) présentant des cinquièmes paramètres (P5) influençant le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2), les quatrièmes paramètres (P4) et cinquièmes paramètres (P5) étant choisis pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2) présente un noeud dans la première couche (C1).
10.- Détecteur selon la revendication 9, dans lequel : - la quatrième couche (C4) est réalisée en un quatrième matériau diélectrique présentant un quatrième indice optique (n4) et présente une quatrième épaisseur (e4) le long de la direction d'empilement (Z), les quatrièmes paramètres (P4) étant le quatrième indice optique (n4) et la quatrième épaisseur (e4) et - la cinquième couche (C5) est réalisée en un cinquième matériau diélectrique présentant un cinquième indice optique (n5) et présente une cinquième épaisseur (e5) le long de la direction d'empilement, les cinquièmes paramètres étant le cinquième indice optique (n5) et la cinquième épaisseur (e5).
11.- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les matériaux diélectriques des différentes couches (01, C2, C3, C4, C5) sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes IIIA et VA de la classification périodique.
12.- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les matériaux diélectriques des différentes couches (01, C2, C3, C4, C5) sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes II et VI de la classification périodique.
13.- Procédé de détermination des paramètres (P1, P2, P3, P4, P5) d'un détecteur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, les paramètres incluant au moins les deuxièmes paramètres (P2), le procédé de détermination comportant une étape de détermination des paramètres (P1, P2, P3, P4, P5) pour que le champ électrique généré lorsque le détecteur (10) est illuminé par une onde à la deuxième longueur d'onde (À2) présente un noeud dans la première couche (C1).
14.- Procédé de détermination selon la revendication 13 dans sa dépendance avec la revendication 6, comprenant une étape de fixation de la deuxième épaisseur (e2) initiale à une valeur égale à k*À2/(4*n2) Où - n2 est le deuxième indice (n2), - À2 est la deuxième longueur d'onde, et - k est un entier.
15.- Procédé de détermination selon la revendication 13 ou 14, dans lequel à l'étape de détermination, l'onde illuminant le détecteur (10) est une onde polarisée selon un mode transverse électrique ou une onde polarisée selon un mode transverse magnétique.