FR3114169A1 - Filtre optique et procédé de fabrication correspondant - Google Patents
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Abstract
Filtre optique (FLT1) comportant : une couche de support (CS) comprenant un premier matériau (MAT1), un réseau périodique (RP) de plots disposés sur la couche de support selon un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques (H, D, P), les plots comprenant un deuxième matériau (MAT2), une couche comprenant un troisième matériau (MAT3) englobant le réseau périodique de plots et recouvrant la couche de support, le troisième matériau ayant un indice optique différent d’un indice optique du deuxième matériau. Dans lequel les dimensions caractéristiques du réseau périodique de plots sont inférieures à une longueur d’onde parasite et configurées pour réfléchir sélectivement la lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique de plots. Figure pour l’abrégé : Fig 1E
Description
La présente invention concerne le domaine de l’optique et plus particulièrement le domaine des filtres optiques situés, par exemple en regard de composants optiques intégrés.
Un composant optique intégré sensible à la lumière extérieure peut être soumis durant sa durée de vie à une multitude de rayons lumineux parasites issus de dispositifs électroniques tiers, par exemple des rayonnements laser de haute énergie.
En conséquence, selon le matériau du composant optique intégré et selon l'énergie reçue, la lumière reçue par le composant sera transformée en électrons et/ou augmentera localement la température du composant de quelques dizaines de degrés à plusieurs centaines de degrés. Cet échauffement peut alors entraîner des dysfonctionnements et des détériorations du composant optique.
Par ailleurs, des normes réglementaires peuvent augmenter la probabilité pour le composant optique intégré de recevoir des rayons lumineux à des longueurs d’ondes parasites spécifiques. C’est par exemple le cas des normes d’application du type « LIDAR » (acronyme du terme anglais usuel « Light Detection And Ranging ») dans lequel les longueurs d’onde des laser utilisés sont normalisées, typiquement dans l’infrarouge.
Classiquement, le composant optique peut être protégé d’une longueur d’onde parasite par un filtre coupe bande couvrant une gamme de fréquence comprenant la longueur d’onde parasite.
Néanmoins, un filtre coupe bande classique est inutilisable dans des applications nécessitant l’utilisation d’une longueur d'onde à proximité ou à l'intérieur de la bande filtrée, c’est par exemple le cas dans le cadre d’applications utilisant des signaux infrarouges, du type mesures par temps de vol « TOF » (acronyme du terme anglais usuel « Time Of Flight »), reconnaissance faciale infrarouge, ou pour des caméras de vision nocturne.
Ainsi, il est souhaitable de protéger les composants optiques sélectivement contre des longueurs d’onde parasites spécifiques.
Selon un aspect il est proposé un filtre optique comportant :
-une couche de support comprenant un premier matériau,
-un réseau périodique de plots disposés sur la couche de support selon un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques, les plots comprenant un deuxième matériau,
-une couche comprenant un troisième matériau englobant le réseau périodique de plots et recouvrant la couche de support, le troisième matériau ayant un indice optique différent d’un indice optique du deuxième matériau,
dans lequel les dimensions caractéristiques du réseau périodique de plots sont inférieures à une longueur d’onde parasite et configurées pour réfléchir sélectivement la lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique de plots.
dans lequel les dimensions caractéristiques du réseau périodique de plots sont inférieures à une longueur d’onde parasite et configurées pour réfléchir sélectivement la lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique de plots.
En d’autres termes, les dimensions caractéristiques du réseau périodique sont configurées pour produire, sélectivement sur des rayons de lumière à la longueur d’onde parasite, une interférence lumineuse constructive d’un côté du réseau périodique, et une interférence lumineuse destructive de l’autre côté du réseau périodique.
Le réseau périodique de plots est configuré pour exploiter un effet de résonnance quantique produisant une réflexion de lumière spécifiquement à la longueur parasite.
De plus, l’effet de résonnance quantique est sélectif pour la longueur d’onde parasite, le réseau périodique ne réfléchit donc pas d’autre longueur d’onde que la longueur d’onde parasite, cela permet au filtre optique d’être utilisé dans des applications nécessitant l’utilisation d’une longueur d'onde à proximité de la longueur d’onde parasite filtrée.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau, le deuxième matériau, et le troisième matériau sont choisis de sorte que le filtre optique est transparent à la lumière dont la longueur d’onde est comprise dans une plage de longueur d’onde comprenant la longueur d’onde parasite, excepté à la longueur d’onde parasite.
Ainsi, le filtre optique étant transparent pour une plage de longueur d’onde à l’exception de la longueur d’onde parasite, les signaux lumineux transmis ne sont pas ou peu altérés, et ce même pour des longueurs d’onde proches de la longueur d’onde parasite, par exemple de plus ou moins quinze nanomètres par rapport à la longueur d’onde parasite.
Selon un mode de réalisation, chaque plot a une forme de cylindre comportant un diamètre et une hauteur, les dimensions caractéristiques comprenant ledit diamètre et ladite hauteur.
Ainsi, chaque plot cylindrique présente une symétrie axiale permettant de réfléchir des rayons lumineux incidents de manière isotrope par rapport à l’axe de symétrie de chaque cylindre.
La réflexion est ainsi avantageusement neutre vis-à-vis d’une éventuelle polarisation de la lumière.
De plus, le choix du diamètre et de la hauteur des plots (ainsi que le choix du pas du réseau) permet de paramétrer la réflectivité et la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique.
Selon un mode de réalisation, le réseau périodique de plots est disposé sur la couche de support selon un arrangement périodique comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe, les dimensions caractéristiques comprenant ladite période fixe.
La disposition des plots du réseau en un maillage, c’est-à-dire un réseau périodique dont la maille est par exemple rectangulaire, carrée, ou hexagonale (sans que ces exemples ne soient limitatifs), permet une conception simple et polyvalente pour recouvrir uniformément de plots la couche de support.
Ainsi, l’arrangement périodique des mailles permet la réflexion uniforme de lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique.
De plus, le choix du maillage et de la période fixe de répétition de la maille élémentaire, appelée également pas du réseau, permet de paramétrer la longueur d’onde parasite réfléchie par le réseau périodique.
Selon un mode de réalisation, le filtre optique comporte en outre une première face recouverte par un empilement de couches anti-reflet, et l’empilement de couches antireflet est configuré pour corriger un angle d’incidence initial de rayons lumineux incidents du côté de la première face du filtre optique, par rapport à une normale de la première face du filtre optique, de façon à ce qu’un angle d’incidence de rayons lumineux incidents sur le réseau périodique soit plus proche de ladite normale que l’angle d’incidence initial.
Autrement dit, l’empilement de couches antireflet redresse les rayons lumineux incident initiaux pour que l’angle des rayons incidents sur le réseau périodique soit plus proche de la normale.
Ainsi, l’empilement de couches antireflet permet d’augmenter le maximum du gain de réflexion et d’augmenter la sélectivité de la réflexion pour des rayons incidents avec un angle non nul par rapport à la normale.
Selon un mode de réalisation, la longueur d’onde parasite est une longueur d’onde infrarouge définie par une norme d’application à l’automobile de la détection et estimation de la distance par la lumière (LIDAR).
Ainsi, le réseau périodique est spécifiquement configuré pour permettre de réfléchir des rayonnements d’applications du type « LIDAR » de façon à protéger un élément optique de tels rayonnements.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau, le deuxième matériau, et le troisième matériau sont des matériaux diélectriques ou semiconducteurs.
En effet, des phénomènes électromagnétiques peuvent affecter l’effet de résonnance de la réflexion, notamment en altérant la sélectivité de la réflexion de la longueur d’onde parasite.
Ainsi, des matériaux diélectriques ou semiconducteurs ne produisent avantageusement pas d’effet d’antenne électromagnétique.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau est du nitrure de silicium, le deuxième matériau est du nitrure de silicium et le troisième matériau est de l’oxyde de silicium.
En effet, les matériaux ci-dessus sont des matériaux habituellement utilisés pour la fabrication de circuits intégrés, leur utilisation est donc maitrisée et peu coûteuse dans le contexte global des procédés industriels en microélectronique.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau est du nitrure de silicium, le deuxième matériau est de l’oxyde de silicium et le troisième matériau est du silicium amorphe ou du silicium polycristallin.
En effet, les matériaux ci-dessus sont des matériaux habituellement utilisés pour la fabrication de circuits intégrés, leur utilisation est donc maîtrisée et peu coûteuse dans le contexte global des procédés industriels en microélectronique.
De plus, le silicium amorphe est également connu pour avoir un indice optique élevé par rapport l’indice optique du nitrure de silicium, cela permet d’augmenter la différence d’indice optique entre le deuxième matériau, de l’oxyde de silicium selon ce mode de réalisation, et le troisième matériau, du silicium amorphe dans cet exemple, pour améliorer, ou du moins pour paramétrer, la sélectivité de la réflexion à la longueur d’onde parasite.
Selon un autre aspect, il est proposé un appareil électronique comprenant un filtre optique selon au moins l’un des modes de réalisation définit ci-avant, une puce électronique sensible à la lumière, et un boîtier, le filtre optique étant intégré au boitier et situé en regard de la puce électronique de façon à filtrer la lumière reçue par la puce.
Selon un autre aspect, il est proposé un véhicule comprenant l’appareil électronique définit ci-avant.
Selon un autre aspect il est proposé un procédé de fabrication de filtre optique comprenant :
-une formation d’une couche de support comprenant un premier matériau ;
-une formation d’une couche d’un deuxième matériau sur la couche de support ;
-une gravure dans la couche du deuxième matériau d’un réseau périodique de plots présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques ;
-une formation d’une couche d’un troisième matériau, sur la couche de support, englobant les plots ;
dans lequel les dimensions caractéristiques du réseau périodique sont inférieures à une longueur d’onde parasite et configurées pour réfléchir sélectivement la lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique de plots.
-une formation d’une couche de support comprenant un premier matériau ;
-une formation d’une couche d’un deuxième matériau sur la couche de support ;
-une gravure dans la couche du deuxième matériau d’un réseau périodique de plots présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques ;
-une formation d’une couche d’un troisième matériau, sur la couche de support, englobant les plots ;
dans lequel les dimensions caractéristiques du réseau périodique sont inférieures à une longueur d’onde parasite et configurées pour réfléchir sélectivement la lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique de plots.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau, le deuxième matériau, et le troisième matériau sont choisis de sorte que le filtre optique soit transparent à la lumière dont la longueur d’onde est comprise dans une plage de longueur d’onde comprenant la longueur d’onde parasite, excepté à la longueur d’onde parasite.
Selon un mode de mise en œuvre, les plots du réseau périodique sont gravés pour avoir une forme de cylindre comportant un diamètre et une hauteur, les dimensions caractéristiques comprenant ledit diamètre et ladite hauteur.
Selon un mode de mise en œuvre, les plots du réseau périodique sont gravés pour être disposés selon un arrangement périodique de plots comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe, les dimensions caractéristiques comprenant ladite période fixe.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une formation d’un empilement de couches antireflet sur une première face configurée pour corriger un angle d’incidence initial de rayons lumineux incidents du côté de la première face du filtre optique, par rapport à une normale de la première face du filtre optique, de façon à ce qu’un angle d’incidence de rayons lumineux incidents sur le réseau périodique soit plus proche de la normale que l’angle d’incidence initial.
Selon un mode de mise en œuvre, la longueur d’onde parasite est une longueur d’onde infrarouge définie par une norme d’application à l’automobile de la détection et estimation de la distance par la lumière (LIDAR).
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau, le deuxième matériau, et le troisième matériau sont des matériaux diélectriques ou semiconducteurs.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau est du nitrure de silicium, le deuxième matériau est du nitrure de silicium et le troisième matériau est de l’oxyde de silicium.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau est du nitrure de silicium, le deuxième matériau est de l’oxyde de silicium et le troisième matériau est du silicium amorphe ou du silicium polycristallin.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en œuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
Les figures 1A à 1E illustrent un procédé de fabrication d’un filtre optique FLT1 dédié à l’exclusion d’une longueur d’onde parasite parmi un spectre de rayons de lumière incident sur le filtre. L’exclusion sélective de la longueur d’onde parasite est obtenue par une réflexion des rayons de lumière à la longueur d’onde parasite sur un réseau périodique de plots RP.
Le réseau périodique RP est configuré de telle sorte que la lumière à la longueur d’onde parasite provoque des interférences constructives d’un côté réseau périodique où des rayons lumineux sont reçus, et des interférences destructives d’un côté opposé du réseau périodique par lequel le reste des rayons lumineux reçus sont transmis.
La illustre une amorce sacrificielle de substrat S, sur laquelle est fabriquée le filtre optique FLT1. L’amorce de substrat S est par exemple en silicium ou en oxyde silicium et est destinée à être éliminée en fin de fabrication.
Un premier empilement de couches antireflet AR1 est formé sur l’amorce du substrat S et comprend trois couches, bien entendu il est possible de réaliser un plus grand nombre de couches dans un empilement antireflet.
Le premier empilement de couches antireflet AR1 comprend un ensemble de couches minces de matériaux spécifiques d'indices différents.
La illustre notamment le résultat d’une formation d’une couche de support CS et d’une formation d’une couche destinée à former le réseau périodique de plots RP.
Une première couche transparente et rigide dans un troisième matériau MAT3, par exemple de l’oxyde de silicium, peut être formée sur le premier empilement de couches antireflet AR1. La première couche transparente et rigide sert à positionner le réseau périodique RP à une distance optimale du premier empilement de couches antireflet AR1 et à solidifier mécaniquement le filtre optique sans altérer les propriétés optiques du filtre.
Ensuite, la couche de support CS dans le premier matériau MAT1 est formée sur la première couche transparente rigide du troisième matériau MAT3.
On recouvre alors la couche de support CS par une couche destinée à former le réseau périodique RP dans le deuxième matériau MAT2.
A ce stade de la fabrication, le filtre optique FLT1 comporte un empilement comprenant la couche de support CS, dans un premier matériau MAT1, superposée à la couche destinée à former le réseau périodique de plots, dans un deuxième matériau MAT2.
Le premier matériau MAT1 est par exemple du nitrure de silicium, et le deuxième matériau MAT2 est par exemple également du nitrure de silicium.
Dans le cas de figure où le premier MAT1 et le deuxième matériau MAT2 sont les mêmes, une couche d’arrêt CA est formée entre la couche de support CS et la couche destinée à former les plots.
La couche d’arrêt CA permet de former une couche protectrice destinée à protéger l’intégrité de la couche de support CS lors d’une gravure des plots du réseau périodique. La couche d’arrêt est formée dans un matériau, différent du premier MAT1 et du deuxième matériau MAT2, et identifiable en cours de gravure afin de marquer l’arrêt de la gravure.
La couche d’arrêt CA est par exemple en oxyde de silicium lorsque le premier matériau MAT1 et le deuxième matériau MAT2 sont en nitrure de silicium.
L’épaisseur de la couche d’arrêt CA est négligeable par rapport à l’épaisseur de la couche de support CS. Ainsi, dans la suite, l’expression couche de support CS fera référence à l’empilement de la couche de support CS et de la couche d’arrêt CA.
La illustre un résultat d’une gravure des plots du réseau périodique RP dans la couche du deuxième matériau MAT2 en utilisant un masque de lithographie suivant un motif périodique.
Les étapes amenant au résultat illustré comprennent une formation d’un masque de lithographie présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques, sur la couche destinée à former le réseau périodique RP.
Le masque de lithographie définit la forme des faces supérieures des plots du réseau périodique RP. L’épaisseur de la couche destinée à former le réseau périodique RP définit la hauteur des plots.
Par exemple, pour fabriquer des plots cylindriques arrangés selon un quadrillage sur la couche de support CS, le masque lithographique comprend un quadrillage d’ouvertures circulaires.
La couche du deuxième matériau MAT2 est gravée au travers du masque lithographique pour former des plots répartis de manière périodique sur la couche de support CS.
La illustre un résultat d’une formation d’une couche dans un troisième matériau MAT3, englobant les plots du réseau périodique RP, et déposée sur des portions libres de la couche de support CS.
Les étapes amenant au résultat illustré comprennent une formation d’une couche englobant les plots du réseau périodique sur les plots et des portions laissées libres de la couche de support CS.
Les plots du réseau périodique RP sont formés dans le deuxième matériau MAT2 et la couche englobant les plots est formée dans le troisième matériau MAT3.
La couche englobant les plots peut recouvrir des faces latérales des plots et/ou des face supérieures des plots. En effet, par englober les plots on entend recouvrir les flancs et le dessus des plots ou seulement recouvrir les flancs des plots.
La couche englobant les plots et des surfaces supérieures des plots peut subir un polissage chimio-mécanique de sorte à former une surface plane destinée à accueillir une deuxième couche transparente et rigide, par exemple dans le troisième matériau MAT3.
La deuxième couche transparente et rigide peut être collée sur la surface plane pour solidifier le filtre optique, notamment en vue d’une élimination de l’amorce de substrat S.
La deuxième couche transparente et rigide permet également de positionner le réseau périodique RP à une distance optimale d’un deuxième empilement de couches antireflet AR2.
La fabrication du filtre optique FLT1 comprend donc en outre une formation du deuxième empilement de couches anti-reflet AR2 sur la deuxième couche transparente et rigide.
Ensuite, l’amorce de substrat S est éliminée.
La illustre le filtre optique FLT1 résultant du procédé décrit en relation avec les figures 1A à 1E.
Le filtre optique FLT1 comprend une première face F1 opposée à une deuxième face F2, le filtre optique FLT1 est plat, et peut avoir la forme d’une plaquette ou d’un disque. Le réseau périodique de plots RP est situé à l’intérieur du filtre optique FLT1, parallèlement aux première et deuxième faces F1, F2 du filtre optique FLT1.
Le filtre optique FLT1 peut recevoir des rayons lumineux incidents indifféremment du côté de la première face F1 ou du côté de la deuxième face F2 sans modifier l’effet de réflexion de la longueur d’onde parasite.
A cet égard, la première face F1 et la deuxième face F2 du filtre comprennent chacune un empilement analogue de couches anti-reflet AR1, AR2.
La illustre un filtre optique FLT2 selon un mode de réalisation alternatif au filtre optique FLT1 illustré à la .
Une couche de support CS dans un premier matériau MAT1 recouvre un premier empilement de couches antireflet AR1. Un réseau périodique RP de plots dans un deuxième matériau MAT2 est disposé sur la couche de support CS.
Le réseau périodique RP de plots est entouré par une couche dans un troisième matériau MAT3. La couche dans le troisième matériau MAT3 recouvre des faces latérales des plots et des portions laissées libres de la couche de support CS.
Une autre couche du deuxième matériau MAT2 recouvre des faces supérieures des plots et une face supérieure de la couche du troisième matériau MAT3.
Le premier matériau MAT1 est par exemple du nitrure de silicium, le deuxième matériau MAT2 est par exemple de l’oxyde de silicium, le troisième matériau MAT3 est par exemple du silicium amorphe.
Des étapes permettant de fabriquer le filtre optique FLT2 comprennent dans un ordre chronologique :
-une formation de la couche de support CS dans le premier matériau MAT1, par exemple du nitrure de silicium, sur le premier empilement de couches antireflet AR1 déposé sur une amorce de substrat S, par exemple en silicium ;
-une formation de la couche destinée à former le réseau périodique RP dans le deuxième matériau MAT2, par exemple en oxyde de silicium, directement sur la couche de support CS, dans le troisième matériau MAT3, par exemple du silicium amorphe ;
-une formation d’un masque de lithographie, présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques, sur la couche destinée à former le réseau périodique RP ;
-une gravure au travers du masque de lithographie de la couche destinée à former le réseau périodique RP de sorte à former des plots répartis de manière périodique sur la couche de support CS du réseau périodique ;
-une formation d’une couche englobant les plots du réseau périodique RP sur les plots et des portions laissées libres de la couche de support CS ;
-un polissage chimio-mécanique de la couche englobant les plots de sorte à découvrir les faces supérieures des plots du réseau périodique RP ;
-une formation d’une autre couche du deuxième matériau MAT2 recouvrant les faces supérieures des plots et la couche englobant les plots, par exemple par un dépôt physique en phase vapeur assistée par plasma d’oxyde de silicium obtenu à partie d’une source liquide d’ortho-silicate de tétraéthyle ;
-une formation d’un deuxième empilement de couches antireflet AR2 sur la couche dans le deuxième matériau MAT2.
-une formation de la couche de support CS dans le premier matériau MAT1, par exemple du nitrure de silicium, sur le premier empilement de couches antireflet AR1 déposé sur une amorce de substrat S, par exemple en silicium ;
-une formation de la couche destinée à former le réseau périodique RP dans le deuxième matériau MAT2, par exemple en oxyde de silicium, directement sur la couche de support CS, dans le troisième matériau MAT3, par exemple du silicium amorphe ;
-une formation d’un masque de lithographie, présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques, sur la couche destinée à former le réseau périodique RP ;
-une gravure au travers du masque de lithographie de la couche destinée à former le réseau périodique RP de sorte à former des plots répartis de manière périodique sur la couche de support CS du réseau périodique ;
-une formation d’une couche englobant les plots du réseau périodique RP sur les plots et des portions laissées libres de la couche de support CS ;
-un polissage chimio-mécanique de la couche englobant les plots de sorte à découvrir les faces supérieures des plots du réseau périodique RP ;
-une formation d’une autre couche du deuxième matériau MAT2 recouvrant les faces supérieures des plots et la couche englobant les plots, par exemple par un dépôt physique en phase vapeur assistée par plasma d’oxyde de silicium obtenu à partie d’une source liquide d’ortho-silicate de tétraéthyle ;
-une formation d’un deuxième empilement de couches antireflet AR2 sur la couche dans le deuxième matériau MAT2.
Dans les procédés décrits en relation avec les figures 1A à 1E et 2, les premier MAT1, deuxième MAT2 et troisième MAT3 matériaux peuvent être différents des exemples donnés ci-dessus. D’autres combinaisons de matériaux peuvent être choisies par exemple parmi du nitrure de silicium, de l’oxide de silicium, du silicium amorphe, du carbone amorphe, et du carbure de silicium.
Avantageusement, les premier, deuxième, et troisième matériau MAT1, MAT2, MAT3, sont des matériaux diélectriques ou semiconducteurs notamment pour éviter des effets d’antenne électromagnétique, et/ou sont choisis de sorte que le filtre optique soit transparent à la lumière dont la longueur d’onde est comprise dans une plage de longueur d’onde comprenant la longueur d’onde parasite, excepté à la longueur d’onde parasite.
La illustre une vue de dessus de la représentant le réseau périodique RP, ainsi qu’un agrandissement du réseau périodique RP.
Le réseau périodique RP de plots est un ensemble de plots identiques saillants disposés selon un arrangement périodique sur la couche de support CS.
Les plots du réseau périodique RP forment un réseau d’interférence dont l’arrangement périodique est configuré pour produire une réflexion de lumière à la longueur d’onde parasite.
Un contour du réseau périodique RP est situé à une interface entre le deuxième matériau et le troisième matériau et sur des portions de la couche de support CS non occupées par des plots.
Le réseau périodique RP de plot, en particulier le contour du réseau, comprend des dimensions caractéristiques inférieures à la longueur d’onde parasite, et l’interface entre le deuxième matériau et le troisième matériau présente une différence d’indice optique.
Une telle interface dont les dimensions sont inférieures à la longueur d’onde d’intérêt est appelée « méta-surface ». Une méta-surface est bien connue de l’homme du métier, qui pourra néanmoins se référer, à toutes fins utiles, à la publication scientifique de Yu et al. «Light Propagation with Phase Discontinuities : Generalized Laws of Reflection and Refraction» - SCIENCE vol 334 21/10/2011, qui donne un exemple de définition d’une méta-surface.
L’interface est destinée à produire une réflexion de lumière en exploitant des propriétés particulières de résonance permettant d’obtenir des interférences constructives parfaites d’un côté du réseau périodique RP et des interférences destructives parfaites de l’autre côté du réseau périodique RP.
L’arrangement du réseau périodique RP comprend une maille élémentaire de plots, typiquement polygonale, et répétée avec une période P. En particulier, la période fixe P de répétition des mailles correspond à l’espacement entre deux coins analogues de deux mailles jointives.
Une maille élémentaire du réseau périodique RP comprend un même motif périodique comprenant un ou plusieurs plots, le motif étant situé à chaque coins du polygone.
Par exemple, les plots peuvent être disposés selon un arrangement de mailles carrées ou rectangulaires formant un quadrillage. Bien entendu, on peut prévoir d’autres types de disposition des plots telle qu’un arrangement de mailles hexagonales formant un maillage du type « nid d’abeilles ».
Les dimensions caractéristiques du réseau périodique comprennent la période P de répétition des mailles élémentaires et des dimensions du motif périodique de plots.
Par exemple, dans un cas où les plots sont des cylindres, les dimensions caractéristiques du réseau périodique comprennent en outre le diamètre D et la hauteur H des cylindres. Bien entendu, les plots peuvent être d’une forme différente, par exemple hémisphérique ou parallélépipèdique.
De façon sommaire, les matériaux choisis et le motif périodique du réseau RP sont configurés pour produire, par un effet de résonnance quantique, une interférence lumineuse constructive du côté du réseau périodique RP par lequel sont reçus des rayons de lumière incident, et une interférence lumineuse destructive du côté du réseau périodique RP par lequel sont transmis les rayons de lumière, à la longueur d’onde parasite afin d’engendrer la réflexion.
La illustre un graphique présentant des résultats d’une simulation de réflexion de lumière sur un premier réseau périodique de plots cylindriques configuré pour réfléchir spécifiquement une longueur d’onde parasite de 940 nanomètres.
A cet égard, les dimensions caractéristiques des plots sont une hauteur H de 20 nanomètres et un diamètre D de 280 nanomètres. Les plots sont disposés sur la couche de support CS selon un quadrillage avec une maille carrée présentant un espacement périodique fixe P de 590 nm, l’épaisseur de la couche de support CS est de 150 nanomètres. Le premier matériau est du nitrure de silicium, le deuxième matériau est également du nitrure de silicium et le troisième matériau est de l’oxyde de silicium.
Le graphique présente un pourcentage de réflexion Rr/Ri sous la forme d’une courbe de gain ayant un profil gaussien.
Le pourcentage de réflexion Rr/Ri est sensiblement inférieur à 10% en dessous de 930 nanomètres et au-dessus de 960 nanomètres, on observe une nette augmentation du pourcentage de réflexion Rr/Ri atteignant un maximum supérieur à 90% à la longueur d’onde parasite de 940 nanomètres. La largeur à mi-hauteur de la courbe de gain est inférieure à 10 nanomètres.
Le premier réseau périodique permet donc de filtrer sélectivement la longueur d’onde de 940 nanomètres parmi un spectre infrarouge.
La illustre un graphique présentant des résultats d’une simulation de réflexion de lumière sur un deuxième réseau périodique de plots cylindriques, configuré pour réfléchir spécifiquement une longueur d’onde parasite de 905 nanomètres.
A cet égard, le deuxième réseau périodique diffère du premier réseau périodique en ce que les plots sont disposés avec un espacement périodique fixe P de 566 nm.
Le graphique présente un pourcentage de réflexion Rr/Ri sous la forme d’une courbe de gain ayant un profil gaussien.
Le pourcentage de réflexion Rr/Ri est sensiblement inférieur à 10% en dessous de 900 nanomètres et au-dessus de 920 nanomètres. On observe une nette augmentation du pourcentage de réflexion Rr/Ri atteignant un maximum supérieur à 90% à la longueur d’onde parasite de 905 nanomètres. La largeur à mi-hauteur de la courbe de gain est inférieure à 10 nanomètres.
Le deuxième réseau périodique permet donc de filtrer sélectivement la longueur d’onde de 905 nanomètres parmi un spectre infrarouge.
La illustre un graphique présentant des résultats d’une simulation d’une réflexion de lumière sur un troisième réseau périodique de plots cylindriques, configuré pour réfléchir spécifiquement une longueur d’onde parasite de 905 nanomètres.
Les rayons incidents sont reçus sur le troisième réseau périodique de plots avec un angle d’incidence sur le troisième réseau périodique de cinq degrés par rapport à une normale de la surface supérieure de la couche de support.
Les dimensions caractéristiques des plots sont d’une hauteur H de 60 nanomètres et un diamètre D de 280 nanomètres. Les plots sont disposés selon un quadrillage avec un espacement périodique fixe P de 600 nm. Le premier matériau est du nitrure de silicium, le deuxième matériau est du silicium (les plots cylindriques comprennent le deuxième matériau) et le troisième matériau est de l’oxyde de silicium.
Le graphique présente un pourcentage de réflexion Rr/Ri sous la forme d’une courbe de gain ayant un profil gaussien selon la longueur d’onde et dont un maximum atteint 60% à la longueur d’onde parasite de 905 nanomètres. La courbe de gain présente une largeur à mi-hauteur d’environ 20 nanomètres.
Pour les rayons lumineux ayant un angle d’incidence de cinq degrés, le troisième réseau périodique permet donc de filtrer 60% des rayons parasites à la longueur d’onde de 905 nanomètres, et de filtrer au minimum 30% de rayons compris entre 895 et 915 nanomètres.
Une augmentation de l’angle d’incidence des rayons sur le réseau périodique diminue le maximum de la courbe de gain de réflexion et augmente la largeur à mi-hauteur.
A cet égard, il peut être prévu un empilement de couches anti-reflet configuré pour corriger un angle d’incidence des rayons lumineux arrivant sur le réseau périodique de plots.
L’angle d’incidence des rayons lumineux sur le réseau périodique est redressé par l’empilement de couches anti-reflet.
Autrement dit, l’empilement de couches antireflet corrige l’angle d’incidence initial de rayons lumineux par rapport à la normale de la première face du filtre optique de façon à redresser les rayons lumineux incidents initiaux pour que l’angle des rayons incidents sur le réseau périodique soit le plus proche de la normale.
Un empilement de couches antireflet permettant un tel effet peut comprendre par exemple un empilement de couches à gradient d’indice optique.
Ainsi, l’empilement de couches antireflet permet d’augmenter le maximum de gain de réflexion et de diminuer la largeur à mi-hauteur du gain de réflexion pour des rayons incidents avec un angle non nuls par rapport à la normale.
La illustre un appareil APP configuré pour protéger des éléments d’un composant optique intégré CO contre une ou plusieurs longueurs d’onde parasite.
L’appareil APP comprend un filtre optique FLT, une puce électronique P comportant le composant optique intégré CO, et un boîtier BT. Le filtre optique FLT est intégré au boitier BT et situé en regard du composant optique CO de la puce électronique P de façon à filtrer la lumière perçue par le composant optique CO.
A cet effet, le filtre optique FLT peut comprendre un empilement d’un ou de plusieurs filtres optiques configurés pour filtrer chacun spécifiquement une longueur d’onde parasite différente.
Les filtres optiques de l’empilement peuvent être par exemple analogues aux filtres optiques décrit en référence au figures 1E et 2.
Alternativement, le filtre optique FLT peut comprendre un empilement comprenant notamment plusieurs réseaux périodiques, chaque réseau périodique comprenant une couche de support respective et des plots disposés sur la couche de support, et chaque réseau périodique étant configuré pour réfléchir une longueur d’onde parasite différente de sorte que le filtre FLT filtre sélectivement plusieurs longueurs d’onde parasites.
Les longueurs d’onde filtrées par le filtre optique FLT peuvent par exemple être des longueurs d’onde inscrites dans des normes règlementées des technologies de détection et d’estimation de la distance par la lumière, plus connues sous l’acronyme « LIDAR » des termes anglais « Light Détection And Ranging » appliquées à l’automobiles, telles que les longueurs d’ondes 850, 905 et 1550 nanomètres.
Les rayons de lumière incidents Ri ayant une longueur d’onde parasite spécifiquement filtrée par le filtre FLT sont réfléchis Rr et n’atteignent donc pas le composant optique CO intégré.
Le filtre optique FLT est configuré en outre pour transmettre les rayons incidents Ri, excepté la ou les longueurs d’onde parasites, d’une manière la plus transparente possible, de sorte qu’à l’exception des longueurs d’onde parasites un spectre des rayons incidents Ri correspond au spectre des rayons transmis Rt.
L’utilisation du filtre optique FLT ne perturbe donc pas le fonctionnement du composant optique CO par rapport à un fonctionnement sans le filtre optique FLT.
La illustre un véhicule VH dans lequel est installé un l’appareil décrit en référence à la .
Le véhicule VH est entouré par un ensemble de sources de rayonnement parasite S1 à S10, comme par exemple des émetteurs du type « LIDAR » provenant de différents véhicules tiers circulant à proximité du véhicule VH, cet exemple n’est pas limitatif et les sources peuvent être de différente nature.
Dans l’exemple précédent les longueurs d’onde des sources de rayonnement parasite S1 à S10 sont typiquement à des longueurs d’onde normalisées de 850, 905 ou 1550 nanomètres.
Ainsi, l’appareil APP permet d’éviter une surexposition du composant optique CO au rayonnement des sources parasites S1 à S10 en filtrant spécifiquement les rayonnements parasites.
Les modes de réalisation de filtres optiques FLT1, FLT2 décrits ci-avant permettent de filtrer efficacement des rayonnements par exemple issus d’application du type « LIDAR », qui, en raison de leur niveau d'énergie élevé, peuvent altérer ou endommager des capteurs optiques pouvant intégrer l’appareil APP.
Le filtre optique FLT est adapté pour filtrer sélectivement certaines longueurs d'onde parasites spécifiques. Par conséquent, le filtre optique FLT équipant l’appareil APP décrit ci-dessus permet de filtrer de la lumière destinée à des capteurs fonctionnant dans le même spectre lumineux que les sources à haut potentiel énergétique, et de ne supprimer que les longueurs d'onde parasites et polluantes correspondant aux sources à haut potentiel énergétique.
Avec l’utilisation croissante d’application du type « LIDAR » dans l’industrie de l'automobile, et avec un développement croissant des capteurs, l’intégration de l’appareil APP dans le véhicule VH décrit ci-dessus fournit une protection pouvant être utilisée notamment pour tous type de capteurs optiques de l’industrie automobile.
Claims (20)
- Filtre optique (FLT1, FLT2) comportant :
-une couche de support (CS) comprenant un premier matériau (MAT1),
-un réseau périodique (RP) de plots disposés sur la couche de support selon un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques (H, D, P), les plots comprenant un deuxième matériau (MAT2),
-une couche comprenant un troisième matériau (MAT3) englobant le réseau périodique de plots et recouvrant la couche de support, le troisième matériau ayant un indice optique différent d’un indice optique du deuxième matériau,
dans lequel les dimensions caractéristiques du réseau périodique de plots sont inférieures à une longueur d’onde parasite et configurées pour réfléchir sélectivement la lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique de plots. - Filtre optique selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau (MAT1), le deuxième matériau (MAT2), et le troisième matériau (MAT3) sont choisis de sorte que le filtre optique (FLT1, FLT2) est transparent à la lumière dont la longueur d’onde est comprise dans une plage de longueur d’onde comprenant la longueur d’onde parasite, excepté à la longueur d’onde parasite.
- Filtre optique selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel chaque plot a une forme de cylindre comportant un diamètre (D) et une hauteur (H), les dimensions caractéristiques comprenant ledit diamètre et ladite hauteur.
- Filtre optique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le réseau périodique de plots est disposé sur la couche de support (CS) selon un arrangement périodique comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe (P), les dimensions caractéristiques comprenant ladite période fixe.
- Filtre optique selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre une première face (F1) recouverte par un empilement de couches anti-reflet (AR2), et l’empilement de couches antireflet est configuré pour corriger un angle d’incidence initial de rayons lumineux incidents du côté de la première face du filtre optique (FLT1, FLT2), par rapport à une normale de la première face du filtre optique, de façon à ce qu’un angle d’incidence de rayons lumineux incidents sur le réseau périodique soit plus proche de la normale que l’angle d’incidence initial.
- Filtre optique (FLT1, FLT2) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la longueur d’onde parasite est une longueur d’onde infrarouge correspondant à une application à l’automobile de la détection et estimation de la distance par la lumière (LIDAR).
- Filtre optique (FLT1, FLT2) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau (MAT1), le deuxième matériau (MAT2), et le troisième matériau (MAT3) sont des matériaux diélectriques ou semiconducteurs.
- Filtre optique (FLT1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau (MAT1) est du nitrure de silicium, le deuxième matériau (MAT2) est du nitrure de silicium et le troisième matériau (MAT3) est de l’oxyde de silicium.
- Filtre optique (FLT2) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le premier matériau (MAT1) est du nitrure de silicium, le deuxième matériau (MAT2) est de l’oxyde de silicium et le troisième matériau (MAT3) est du silicium amorphe ou du silicium polycristallin.
- Appareil électronique (APP) comprenant un filtre optique (FLT) selon l’une des revendications 1 à 9, une puce électronique (P) sensible à la lumière, et un boîtier (BT), le filtre optique étant intégré au boîtier et situé en regard de la puce électronique de façon à filtrer la lumière reçue par la puce.
- Véhicule (VH) comprenant un appareil électronique (APP) selon la revendication 10.
- Procédé de fabrication de filtre optique (FLT1, FLT2) comprenant :
-une formation d’une couche de support (CS) comprenant un premier matériau (MAT1) ;
-une formation d’une couche d’un deuxième matériau (MAT2) sur la couche de support ;
-une gravure dans la couche du deuxième matériau d’un réseau périodique (RP) de plots présentant un motif périodique paramétré par des dimensions caractéristiques (H, D, P) ;
-une formation d’une couche d’un troisième matériau (MAT3), sur la couche de support, englobant les plots ;
dans lequel les dimensions caractéristiques du réseau périodique sont inférieures à une longueur d’onde parasite et configurées pour réfléchir sélectivement la lumière à la longueur d’onde parasite sur le réseau périodique de plots. - Procédé selon la revendication 12, dans lequel les premier matériau (MAT1), deuxième matériau (MAT2), et troisième matériau (MAT3) sont choisis de sorte que le filtre optique soit transparent à la lumière dont la longueur d’onde est comprise dans une plage de longueur d’onde comprenant la longueur d’onde parasite, excepté à la longueur d’onde parasite.
- Procédé selon l’une des revendications 12 ou 13, dans lequel les plots du réseau périodique sont gravés pour avoir une forme de cylindre comportant un diamètre (D) et une hauteur (H), les dimensions caractéristiques comprenant le diamètre (D) et la hauteur (H).
- Procédé selon l’une des revendications 12 à 14, dans lequel les plots du réseau périodique (RP) sont gravés pour être disposés selon un arrangement périodique de plots comprenant une maille élémentaire de plots répétée avec une période fixe (P), les dimensions caractéristiques comprennent ladite période fixe.
- Procédé selon l’une des revendications 12 à 15, comprenant en outre une formation d’un empilement de couches antireflet (AR1, AR2), sur une première face du filtre optique (FLT1, FLT2), configurée pour corriger un angle d’incidence initial de rayons lumineux incidents du côté de la première face du filtre optique, par rapport à une normale de la première face du filtre optique, de façon à ce qu’un angle d’incidence de rayons lumineux incidents sur le réseau périodique soit plus proche de la normale que l’angle d’incidence initial.
- Procédé selon l’une des revendication 12 à 16, dans lequel la longueur d’onde parasite est une longueur d’onde infrarouge correspondant à une application à l’automobile de la détection et estimation de la distance par la lumière (LIDAR).
- Procédé selon l’une des revendications 12 à 17, dans lequel le premier matériau (MAT1), le deuxième matériau (MAT2), et le troisième matériau (MAT3) sont des matériaux diélectriques ou semiconducteurs.
- Procédé selon l’une des revendications 12 à 18, dans lequel le premier matériau (MAT1) est du nitrure de silicium, le deuxième matériau (MAT2) est du nitrure de silicium et le troisième matériau (MAT3) est de l’oxyde de silicium.
- Procédé selon l’une des revendications 12 à 18, dans lequel le premier matériau (MAT1) est du nitrure de silicium, le deuxième matériau (MAT2) est de l’oxyde de silicium et le troisième matériau (MAT3) est du silicium amorphe ou du silicium polycristallin.
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| Title |
|---|
| YU ET AL.: "Light Propagation with Phase Discontinuities : Generalized Laws of Reflection and Refraction", SCIENCE, vol. 334, 21 October 2011 (2011-10-21), XP055393074, DOI: 10.1126/science.1210713 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220082743A1 (en) | 2022-03-17 |
| FR3114169B1 (fr) | 2023-06-23 |
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