FR3139395A1 - Filtre spectral a resonateurs couples - Google Patents

Abstract

Un filtre spectral (10) à résonateurs couplés, destiné à être utilisé par transmission, comprend un film conducteur électriquement (11) avec au moins une fente (1) qui traverse ledit film conducteur, et au moins un sillon (2) qui est parallèle à la fente. Un couplage entre deux résonateurs de Fabry-Pérot qui sont constitués par la fente et le sillon détermine une limite d’une fenêtre de transmission spectrale du filtre. Un tel filtre possède un taux de réjection élevé et des caractéristiques de transmission spectrale qui varient peu en fonction d’un angle d’incidence d’un rayonnement à filtrer, et est facile à fabriquer.Figure d’abrégé : Figure 2a

Description

FILTRE SPECTRAL A RESONATEURS COUPLES

La présente description concerne un filtre spectral qui est destiné à être utilisé pour filtrer un rayonnement électromagnétique, ainsi qu’un procédé pour fabriquer un tel filtre.

De nombreuses applications nécessitent de filtrer un rayonnement électromagnétique en fonction de valeurs de longueur d’onde de ce rayonnement, avec une configuration de filtrage par transmission. Autrement dit, un filtre doit être disposé sur le chemin optique du rayonnement, de façon à être traversé sélectivement par une partie de ce rayonnement qui est contenue dans une fenêtre de transmission spectrale du filtre. Très souvent, un tel filtrage est recherché pour être effectif dans le domaine infrarouge, notamment dans l’intervalle de valeurs de longueur d’onde qui s’étend entre 3 µm (micromètre) et 5 µm, couramment appelé bande II, et avec une fenêtre de transmission spectrale qui est plus large que 1 µm, parfois jusqu’à 2 µm.

La plupart des filtres qui sont utilisés jusqu’à ce jour sont constitués par des empilements de couches diélectriques, conçus pour former des filtres interférentiels ou des filtres à miroirs de Bragg. Mais ces filtres existants présentent les inconvénients suivants :
- ils sont onéreux, notamment à cause du nombre élevé des couches qui constituent chaque filtre, et de la durée de fabrication qui en résulte ;
- le filtrage qui est obtenu est fortement affecté par des variations de l’angle d’incidence du rayonnement sur le filtre. Autrement dit, leur tolérance angulaire est faible. A cause de cela, ces filtres interférentiels ou à miroirs de Bragg ne sont pas adaptés pour être associés à des optiques ou des photodétecteurs à grandes valeurs d’ouverture numérique ;
- il est très difficile d’obtenir de tels filtres interférentiels ou à miroirs de Bragg qui soient effectifs pour des valeurs de longueur d’onde supérieures à 3 µm et qui présentent des largeurs de fenêtre de transmission spectrale supérieures à 1 µm ; et
- il est difficile de réaliser des mosaïques avec de tels filtres qui sont constitués par des empilements de couches diélectriques, alors que certaines applications nécessitent de juxtaposer des filtres dans une section transversale d’un faisceau du rayonnement, notamment pour réaliser simultanément des détections multiples du rayonnement qui sont restreintes à des intervalles spectraux différents.

Par ailleurs, il est connu qu’une fente qui est formée à travers un film conducteur électriquement et qui est plus étroite que la longueur d’onde d’un rayonnement électromagnétique incident sur cette fente, possède un maximum de transmission spectrale lorsque la fréquence optique du rayonnement correspond à une résonance de plasmonique de la fente. Une telle résonance résulte de la combinaison de plasmons qui apparaissent à la surface du matériau conducteur au niveau de la fente, avec le comportement de résonateur de Fabry-Pérot de la fente pour des directions de propagation qui sont perpendiculaires au film conducteur.

En outre, l’article qui est intitulé “Enhanced transmission from a single subwavelength slit aperture surrounded by grooves on a standard detector”, de L.A. Dunbar et al., Applied Physics Letters, Vol. 95, 011113, 2009, décrit un filtre qui est formé d’une juxtaposition de motifs identiques, chaque motif étant constitué d’une fente et de plusieurs sillons qui sont formés dans un film d’or. Les sillons sont parallèles à la fente, et situés à intervalles constants des deux côtés de celle-ci, cinq sillons de chaque côté. L’efficacité d’un tel filtre fonctionnant par transmission du rayonnement résulte de la combinaison des deux effets suivants :
- les sillons forment un réseau («grating» en anglais) diffractant qui couple le rayonnement incident avec des plasmons de surface du film d’or en exaltant l’intensité du rayonnement au niveau de la fente ; et
- la fente convertit les plasmons de surface en rayonnement qui est transmis entre les deux faces du film d’or.
Mais un tel filtre présente encore une faible tolérance angulaire par rapport à des variations de l’angle d’incidence du rayonnement à filtrer, à cause de l’effet de réseau diffractant. En outre, le pas de séparation entre sillons voisins devant être accordé avec la valeur de la longueur d’onde centrale de la fenêtre de transmission spectrale, il n’est pas possible de réaliser un tel filtre avec de très faibles dimensions latérales. Pour les filtres qui sont décrits par L.A. Dunbar et al. dans l’article précité, la longueur d’onde centrale de la fenêtre de transmission spectrale est située entre 0,75 µm et 0,95 µm, la largeur à mi-hauteur de cette fenêtre de transmission spectrale est d’environ 0,15 µm, et la taille du motif de filtre est d’environ 14 µm x 14 µm.

Problème technique

A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer des filtres par transmission d’un nouveau type, qui ne présentent pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.

En particulier, un but de l’invention est de proposer des filtres par transmission qui soient peu onéreux à fabriquer.

Un autre but de l’invention est de fournir des filtres dont les fenêtres de transmission spectrale puissent avoir des largeurs supérieures ou égales à 1 µm, voire 2 µm, notamment pour des filtres qui sont efficaces dans la bande II de rayonnement électromagnétique, c’est-à-dire entre 3 µm et 5 µm, ou dans la bande III, c’est-à-dire entre 8 µm et 12 µm, ou à cheval sur ces deux bandes.

Encore un autre but de l’invention est de fournir des filtres dont les caractéristiques de filtrage, y compris le taux de réjection de chaque filtre, dépendent peu, ou ne dépendent quasiment pas, de l’angle d’incidence du rayonnement à filtrer.

Encore un autre but de l’invention est de fournir des filtres qui possèdent des valeurs élevées ou très élevées de taux de réjection, c’est-à-dire qui présentent des valeurs de transmission spectrale qui sont nulles ou quasi-nulles juste au-delà des limites de leurs fenêtres de transmission spectrale.

Enfin, encore un autre but de l’invention est de fournir des filtres efficaces par transmission qui puissent être associés facilement pour former des mosaïques de filtres.

Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un filtre spectral à résonateurs couplés, qui est destiné à être utilisé par transmission et est contenu entre deux faces du filtre qui sont parallèles. L’utilisation de ce filtre comprend donc d’envoyer un rayonnement électromagnétique à filtrer sur une des faces du filtre et d’utiliser une partie du rayonnement qui est transmise à travers le filtre et émerge de son autre face.

Le filtre comprend un film conducteur électriquement qui est parallèle à ses faces, avec au moins une fente qui traverse le film conducteur d’une face à l’autre, cette fente contenant un premier milieu qui est transparent pour le rayonnement à filtrer de façon à former un premier résonateur de Fabry-Pérot avec des premières composantes d’onde stationnaire qui se propagent à l’intérieur de la fente perpendiculairement aux faces du filtre. En outre, une largeur de la fente, mesurée parallèlement aux faces du filtre, est plus petite qu’une limite inférieure d’une fenêtre de transmission spectrale du filtre, exprimée en valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer.

Le filtre comprend en outre, pour chaque fente, au moins un sillon qui est formé dans le film conducteur parallèlement à la fente, est séparé de celle-ci et ouvert sur une des faces du filtre, possède une profondeur inférieure à une épaisseur du film conducteur, et contient un second milieu qui est aussi transparent pour le rayonnement à filtrer de façon à former un second résonateur de Fabry-Pérot avec des secondes composantes d’onde stationnaire qui se propagent à l’intérieur du sillon perpendiculairement aux faces du filtre.

Pour l’invention, une distance de séparation entre le sillon et la fente est aussi plus petite que la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre. De plus, l’épaisseur du film conducteur et la profondeur du sillon sont telles que, lors de l’utilisation du filtre, une première partie du rayonnement à filtrer qui a traversé le film conducteur par la fente sans se propager dans le sillon, et une seconde partie du rayonnement à filtrer qui s’est propagée dans le sillon perpendiculairement aux faces du filtre en plus de traverser le film conducteur par la fente, forment une interférence destructive pour la transmission à travers le filtre d’une partie rejetée du rayonnement, et pour une longueur d’onde qui appartient à un recouvrement d’intervalles spectraux respectifs de résonance individuelle des premier et second résonateurs de Fabry-Pérot.

Dans le cadre de la présente description, l’intervalle spectral de résonance individuelle du premier résonateur de Fabry-Pérot s’étend de λ_{f 1}-3·Q₁à λ_{f 1}+3·Q₁, où λ_{f 1}et Q₁sont respectivement la longueur d’onde de résonance et le facteur de qualité de la résonance individuelle de ce premier résonateur de Fabry-Pérot. De même, l’intervalle spectral de résonance individuelle du second résonateur de Fabry-Pérot s’étend de λ_{s 2}-3·Q₂à λ_{s 2}+3·Q₂, où λ_{s 2}et Q₂sont respectivement la longueur d’onde de résonance et le facteur de qualité de la résonance individuelle de ce second résonateur de Fabry-Pérot.

Un filtre qui est conforme à l’invention reproduit donc les conditions de transmission élevée du rayonnement par la fente, lorsque la longueur d’onde du rayonnement appartient à l’intervalle spectral de résonance de la fente. Cette résonance, appelée résonance individuelle de la fente, résulte de la combinaison de l’interférence à ondes multiples de Fabry-Pérot qui se produit dans la cavité que constitue la fente perpendiculairement aux faces du filtre, avec des plasmons qui sont générés par le rayonnement incident à la surface du matériau conducteur au niveau de la fente. Pour cette raison, le filtre de l’invention possède une valeur élevée de transmission dans sa fenêtre de transmission spectrale.

Le sillon constitue une autre cavité, aussi perpendiculairement aux faces du filtre, avec une résonance individuelle de ce sillon qui est distincte de celle de la fente. Cette résonance individuelle du sillon résulte de même de la combinaison de l’interférence à ondes multiples de Fabry-Pérot qui se produit dans la cavité que constitue le sillon, avec des plasmons qui sont générés par le rayonnement incident à la surface du matériau conducteur au niveau du sillon.

De plus, du fait de la proximité spatiale entre le sillon et la fente, et aussi de la proximité spectrale entre leurs résonances individuelles respectives, le sillon procure au rayonnement un chemin optique additionnel pour traverser le film conducteur. Ce chemin optique additionnel combine une propagation du rayonnement dans le sillon avec une traversée du film conducteur par la fente. En ce sens, les deux résonateurs que constituent séparément la fente et le sillon sont couplés dans le filtre de l’invention. Une interférence supplémentaire se produit alors entre la première partie du rayonnement qui a traversé le film conducteur seulement par la fente, et la seconde partie du rayonnement qui a suivi le chemin optique additionnel. Cette interférence est destructrice pour une valeur de longueur d’onde qui est intermédiaire entre les longueurs d’onde de résonance individuelle respectives de la fente et du sillon. Elle procure à la fenêtre de transmission spectrale du filtre une décroissance abrupte jusqu’à une valeur de transmission spectrale qui est nulle ou presque nulle, entre ces deux longueurs d’onde de résonance individuelle respectives de la fente et du sillon. Ainsi, le filtre possède un taux de réjection important du côté de sa fenêtre de transmission spectrale qui est situé vers la longueur d’onde de résonance individuelle du sillon.

La fenêtre de transmission spectrale d’un filtre qui est conforme à l’invention ne dépend pas ou peu de l’angle d’incidence du rayonnement à filtrer, du fait que la valeur centrale de longueur d’onde de cette fenêtre soit fixée par l’épaisseur du film conducteur qui est effective à l’endroit de la fente, et que la limite de cette fenêtre de transmission spectrale résulte du couplage entre la fente et le sillon. Grâce à cette faible ou très faible dépendance angulaire de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, celui-ci peut être combiné avec des optiques à grande ouverture numérique, notamment à proximité ou contre un plan de formation d’image d’une telle optique.

Par ailleurs, un filtre qui est conforme à l’invention peut être fabriqué en gravant la fente et le sillon dans le film conducteur. Un tel mode de fabrication est simple et peu onéreux. Il permet en outre de varier facilement entre des endroits différents du film conducteur, notamment par des adaptations de masques, des caractéristiques dimensionnelles du filtre telles que la profondeur du sillon ou l’épaisseur du film conducteur qui est effective localement au niveau de la fente. Il est ainsi possible et simple de produire dans un même film conducteur une mosaïque de filtres juxtaposés qui ont des caractéristiques spectrales différentes.

Enfin, la limite de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, du côté de la longueur d’onde de résonance individuelle du sillon sur un axe des valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer, étant fixée par la profondeur du sillon, cette profondeur peut être sélectionnée pour que la fenêtre de transmission spectrale ait une largeur supérieure à 1 µm, voire proche de 2 µm, y compris lorsque la fenêtre de transmission spectrale du filtre est située dans les bandes II et III.

Dans des modes possibles de réalisation d’un filtre conforme à l’invention, le film conducteur peut comprendre un film conducteur de base et un empilement d’une couche conductrice électriquement et d’une couche diélectrique, cet empilement étant porté par le film conducteur de base avec la couche diélectrique qui est intermédiaire entre la couche conductrice et le film conducteur de base. Le sillon peut alors être formé dans l’empilement au-dessus du film conducteur de base. L’utilisation d’un tel empilement permet de contrôler avec précision la profondeur du sillon lors de la fabrication du filtre. Ainsi, la limite de la fenêtre de transmission spectrale peut être exactement identique entre des filtres qui sont fabriqués successivement.

Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, l’épaisseur du film conducteur et la profondeur du sillon peuvent être telles que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s2du second résonateur de Fabry-Pérot formé par le sillon soit plus grande que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot formé par la fente. Dans ce cas, le sillon détermine la limite supérieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, en termes de valeurs de longueur d’onde. Sa limite inférieure, pour obtenir un filtre passe-bande, peut alors être produite par un sillon supplémentaire, en plus du sillon précédent, ou bien produite en créant une répétition périodique dans le filtre qui produit cette limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale par effet de réseau diffractant.

Dans ce dernier cas, c’est-à-dire lorsque la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre est produite par un effet de réseau diffractant, un motif qui comprend la fente et le sillon couplés l’un avec l’autre pour produire l’interférence destructrice lors de l’utilisation du filtre, peut être répété périodiquement dans le filtre parallèlement à ses faces, de façon à former ainsi le réseau diffractant. Alors, un pas de répétition du motif est adapté pour que le réseau diffractant produise une diffraction de premier ordre du rayonnement à filtrer pour une valeur de longueur d’onde qui est plus petite que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot formé par la fente. Pour cela, le pas de répétition du motif peut être choisi plus grand que la moitié de la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, exprimée en valeurs de longueur d’onde.

Dans le premier cas, c’est-à-dire lorsque la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre est produite par un sillon supplémentaire, le filtre comprend en outre un tel sillon supplémentaire pour chaque fente, ce sillon supplémentaire étant aussi formé dans le film conducteur parallèlement à la fente et ouvert sur une des faces du filtre, ayant une profondeur inférieure à l’épaisseur du film conducteur, et contenant un troisième milieu qui est aussi transparent pour le rayonnement à filtrer de façon à former un troisième résonateur de Fabry-Pérot avec des troisièmes composantes d’onde stationnaire qui se propagent à l’intérieur du ainsi-nommé sillon supplémentaire perpendiculairement aux faces du filtre. La distance de séparation entre ce sillon supplémentaire et la fente est aussi plus petite que la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre. De plus, la profondeur du sillon supplémentaire est telle que, lors de l’utilisation du filtre, la première partie du rayonnement à filtrer qui a traversé le film conducteur par la fente sans se propager dans aucun des sillons, et une troisième partie du rayonnement à filtrer qui s’est propagée dans le sillon supplémentaire perpendiculairement aux faces du filtre en plus de traverser le film conducteur par la fente, forment une autre interférence destructive pour la transmission à travers le filtre d’une autre partie rejetée du rayonnement, et pour une autre longueur d’onde qui appartient à un recouvrement des intervalles spectraux respectifs de résonance individuelle des premier et troisième résonateurs de Fabry-Pérot. De la même façon que précédemment, pour l’invention, l’intervalle spectral de résonance individuelle du troisième résonateur de Fabry-Pérot s’étend de λ_{s 3}-3·Q₃à λ_{s 3}+3·Q₃, où λ_{s 3}et Q₃sont respectivement la longueur d’onde de résonance et le facteur de qualité de la résonance individuelle du troisième résonateur de Fabry-Pérot. En outre, pour produire la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, la profondeur du sillon supplémentaire est telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s3du troisième résonateur de Fabry-Pérot qui est formé par ce sillon supplémentaire soit plus petite que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot qui est formé par la fente.

Pour un tel filtre passe-bande à deux sillons par fente, un motif qui comprend la fente, le sillon introduit plus haut en premier et le sillon supplémentaire, peut être répété périodiquement dans le filtre parallèlement à ses faces, selon un pas de répétition du motif qui est de préférence plus grand qu’une somme qui comprend les largeurs respectives de la fente et des deux sillons, et six fois une épaisseur de peau du film conducteur électriquement pour la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre. Il est ainsi possible d’écarter chacun de la fente et des deux sillons par rapport aux deux autres pour éviter qu’un couplage électrique direct ne se produise entre deux résonateurs de Fabry-Pérot qui seraient trop proches l’un de l’autre parallèlement au film conducteur électriquement.

De façon générale, un filtre qui est conforme à l’invention peut être autosupporté, ou porté par un support rigide qui est transparent dans la fenêtre de transmission spectrale de ce filtre. Notamment, un filtre qui est conforme à l’invention peut former un hublot, ou peut être porté par une face optique d’un hublot.

De façon générale, et notamment dans des réalisations de l’invention qui sont destinées à des applications où le rayonnement à filtrer possède une polarisation linéaire connue, le filtre peut comprendre plusieurs fentes qui sont couplées chacune à au moins un sillon respectif de sorte que chaque fente et le sillon couplé avec elle forment l’interférence destructive pour la transmission à travers le filtre de la partie rejetée du rayonnement, avec la même fenêtre de transmission spectrale, les fentes étant toutes parallèles à une direction commune. Un tel filtre est polarisant, et il est utilisé préférablement en étant orienté pour que la direction longitudinale commune des fentes soit perpendiculaire au champ électrique du rayonnement à filtrer, qui est polarisé linéairement.

Dans d’autres réalisations de l’invention qui sont destinées à des applications où le rayonnement à filtrer peut avoir une polarisation quelconque ou une polarisation naturelle, mais aussi de façon générale sans limitation, le filtre peut comprendre de même plusieurs fentes qui sont couplées chacune à au moins un sillon respectif, encore avec la même fenêtre de transmission spectrale, les fentes étant alors réparties en plusieurs groupes distingués par une direction longitudinale commune de fentes qui est dédiée à chaque groupe et différente de celle de chaque autre groupe. Le filtre peut ainsi être dépourvu d’effet polarisant. Des configurations à réseaux de fentes carrés ou hexagonaux sont notamment possibles.

L’invention peut aussi être utilisée pour fournir un filtre à deux fenêtres de transmission spectrale qui sont disjointes. Pour cela, le filtre peut comprendre deux fentes parallèles qui constituent des premiers résonateurs de Fabry-Pérot respectifs, avec des longueurs d’onde de résonance individuelle qui sont différentes entre ces deux fentes, chaque fente étant couplée à au moins un sillon de façon à former une interférence destructive respective pour la transmission à travers le filtre d’une partie rejetée du rayonnement. Possiblement, les deux fentes peuvent être couplées simultanément avec un (deux) même(s) sillon(s) qui leur est (sont) alors commun(s).

En particulier, et d’une façon utile pour de nombreuses applications, un filtre qui est conforme à l’invention peut avoir une fenêtre de transmission spectrale qui est comprise entre la longueur d’onde de limite inférieure et la longueur d’onde de limite supérieure, chacune des longueurs d’onde de limites inférieure et supérieure étant comprise entre 1 µm et 15 µm, et la fenêtre de transmission spectrale ayant une largeur qui est comprise entre 1 µm et 5 µm.

Encore de façon générale pour l’invention, le filtre peut avoir une valeur de transmission spectrale qui est supérieure à 60%, de préférence supérieure à 70%, de façon encore plus préférée supérieure à 80%, en au moins une valeur de longueur d’onde du rayonnement qui est comprise dans la fenêtre de transmission spectrale du filtre. Simultanément, des valeurs de cette transmission spectrale du filtre peuvent être inférieures à 1%, de préférence inférieures à 0,2%, en au moins une autre valeur, ou deux autres valeurs, de la longueur d’onde du rayonnement qui est (sont) située(s) d’un côté ou de part et d’autre de la fenêtre de transmission spectrale du filtre. Autrement dit, le filtre possède un taux de réjection qui est élevé ou très élevé.

Encore de façon générale pour l’invention, la largeur de la fente peut être comprise entre la moitié et un vingtième de la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, de nouveau exprimée en longueur d’onde du rayonnement à filtrer. La largeur du sillon, notamment lorsque ce sillon détermine la limite supérieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, peut aussi être comprise entre la moitié et un vingtième de la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre. Lorsqu’il est présent pour déterminer la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, le ainsi-nommé sillon supplémentaire peut avoir une largeur qui est comprise entre un quart et un quarantième de cette limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre. Toutes ces largeurs sont mesurées parallèlement aux faces du filtre.

Enfin, et encore de façon générale pour l’invention, et lorsque le filtre comporte au moins deux répétitions identiques d’un motif qui comprend au moins la fente et le sillon, deux quelconques de ces répétitions qui sont voisines peuvent présenter entre elles un pas de répétition qui est plus petit que la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, exprimée en valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer. Une valeur moyenne de la transmission spectrale du filtre dans sa fenêtre de transmission spectrale peut ainsi être augmentée, grâce à un taux d’occupation de la surface du film conducteur par les fentes et sillons couplés qui est supérieur. De préférence, le pas de répétition du motif peut en outre être plus petit que la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre multipliée par un facteur égal à 0,8/[1 + sin(θ_max)], où sin( ) désigne la fonction trigonométrique de sinus, et θ_maxest une valeur maximale prescrite pour le filtre, pour un angle d’incidence du rayonnement à filtrer par rapport à une direction qui est perpendiculaire aux faces du filtre. Cette condition supplémentaire évite qu’un premier ordre de diffraction par effet de réseau ne perturbe la fenêtre de transmission spectrale du filtre entre ses limites inférieure et supérieure. La valeur maximale prescrite θ_maxpeut être indiquée dans une notice d’utilisation qui est jointe au filtre, ou qui est accessible à partir d’une référence du filtre. Lorsque la limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre est produite par l’effet de réseau diffractant, la valeur maximale prescrite θ_maxest de préférence telle que sin(θ_max) soit plus petit que 0,6.

Un deuxième aspect de l’invention propose une mosaïque de filtres, qui comprend plusieurs filtres qui sont conformes chacun au premier aspect de l’invention, et qui sont juxtaposés pour constituer une disposition en mosaïque, deux quelconques des filtres qui sont voisins dans la mosaïque ayant des fenêtres de transmission spectrale respectives qui sont différentes. Pour cela, au moins l’un parmi l’épaisseur du film conducteur, la profondeur du sillon, celle du sillon complémentaire le cas échéant, le milieu qui est contenu dans la fente et/ou dans chaque sillon, et le pas de répétition de motif le cas échéant, varie entre deux quelconques des filtres qui sont voisins dans la mosaïque. Avantageusement, le film conducteur peut être commun aux filtres de la mosaïque. En outre, chaque filtre de la mosaïque, ou certains au moins d’entre eux, peut (peuvent) avoir des dimensions latérales qui sont inférieures ou égales à 10 µm. Une telle mosaïque de filtres peut être utilisée contre le plan de formation d’image d’une optique imageante, possiblement à grande ouverture numérique, avec chaque filtre qui est dédié à un pixel différent ou à quelques pixels voisins d’un capteur d’image matriciel qui est situé dans ce plan de formation d’image.

Un troisième aspect de l’invention propose un procédé de fabrication d’un filtre qui est conforme au premier aspect de l’invention, ce procédé comprenant les étapes suivantes :
/1/ prescrire une longueur d’onde de limite inférieure et une longueur d’onde de limite supérieure pour la fenêtre de transmission spectrale du filtre, et calculer une longueur d’onde moyenne de transmission du filtre à partir des longueurs d’onde des limites inférieure et supérieure de la fenêtre de transmission spectrale ;
/2/ déterminer une valeur d’épaisseur pour le film conducteur telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot qui est formé par la fente soit égale à la longueur d’onde moyenne de transmission du filtre ;
/3/ déterminer une valeur de profondeur pour le sillon telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s2du second résonateur de Fabry-Pérot qui est formé par le sillon ayant cette valeur de profondeur soit égale à la longueur d’onde de limite supérieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre ; et
/4/ obtenir le film conducteur avec l’épaisseur de ce film conducteur qui est égale à la valeur d’épaisseur déterminée à l’étape /2/, et former la fente dans ce film conducteur, ainsi que le sillon conformément à la valeur de profondeur du sillon déterminée à l’étape /3/.

Dans diverses mises en œuvre de ce procédé, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles :
- le film conducteur peut être métallique, et la valeur d’épaisseur de ce film métallique peut être déterminée à l’étape /2/ en divisant la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot par 2,5 fois la valeur d’indice de réfraction du premier milieu qui est contenu dans la fente ;
- encore lorsque le film conducteur est métallique, la valeur de profondeur du sillon peut être déterminée à l’étape /3/ en divisant la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s2du second résonateur de Fabry-Pérot par cinq fois la valeur d’indice de réfraction du second milieu qui est contenu dans ce sillon ;
- lorsque la fente est associée à deux sillons pour déterminer les deux limites inférieure et supérieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, l’étape /3/ peut comprendre en outre de déterminer une valeur de profondeur pour le ainsi-nommé sillon supplémentaire telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s3du troisième résonateur de Fabry-Pérot qui est formé par ce sillon supplémentaire, soit égale à la longueur d’onde de limite inférieure de la fenêtre de transmission spectrale du filtre diminuée de la moitié d’une différence entre les longueurs d’onde des limites inférieure et supérieure de cette fenêtre de transmission spectrale. L’étape /4/ comprend alors en outre de former le sillon supplémentaire dans le film conducteur conformément à la valeur de profondeur déterminée à l’étape /3/ pour ce sillon supplémentaire ; et
- encore lorsque la fente est associée à deux sillons pour déterminer les deux limites de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, le film conducteur étant en outre métallique, la valeur de profondeur du sillon supplémentaire peut être déterminée à l’étape /3/ en divisant la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s3du troisième résonateur de Fabry-Pérot par cinq fois la valeur d’indice de réfraction du troisième milieu qui est contenu dans ce sillon supplémentaire.
Les coefficients 2,5 et cinq qui sont utilisés pour déterminer l’épaisseur du film conducteur et la profondeur de chaque sillon, lorsque le film conducteur est métallique, expriment le rôle des plasmons de surface qui apparaissent au niveau de la fente et de chaque sillon lors de la résonance individuelle du résonateur de Fabry-Pérot correspondant. Ces coefficients peuvent être différents lorsque le film est constitué d’autres matériaux conducteurs.

Brève description des figures

Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :

est une vue en perspective qui illustre une utilisation d’un filtre conforme à l’invention ;

est une vue en coupe d’une partie d’un filtre conforme à un premier mode de réalisation de l’invention ;

correspond à pour un deuxième mode de réalisation de l’invention ;

est un diagramme spectral de transmission et de réflexion relatif au filtre de , pour une incidence normale du rayonnement à filtrer ;

correspond à pour un angle d’incidence du rayonnement à filtrer qui est égal à 50° ;

correspond à pour un troisième mode de réalisation de l’invention ;

correspond à pour un quatrième mode de réalisation de l’invention ;

correspond à pour un cinquième mode de réalisation de l’invention ;

est une vue en perspective d’un filtre conforme à un sixième mode de réalisation de l’invention ; et

est une vue en plan d’une mosaïque de filtres conforme à l’invention.

Description détaillée de l’invention

Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.

Comme montré dans , un filtre qui est conforme à l’invention et désigné par la référence 10 est destiné à être utilisé par transmission. Le filtre 10 possède une forme générale plane, et est contenu entre deux faces parallèles F₁et F₂. Un rayonnement électromagnétique à filtrer, désigné par RI, est envoyé sur une des faces du filtre 10, par exemple sa face F₁, et la partie filtrée du rayonnement RI, désignée par T, est transmise à travers le filtre 10 et émerge à partir de sa face F₂. Par exemple, le rayonnement à filtrer RI possède au moins une partie de sa distribution spectrale qui est dans la bande II ou dans la bande III. Pour le mode de réalisation qui est illustré par , le filtre 10 est constitué par une répétition le long d’un axe x, d’un motif de structure M qui est invariant parallèlement à un axe y, les axes x et y étant parallèles aux faces F₁et F₂du filtre 10, et perpendiculaires entre eux. De façon générale, il n’est pas nécessaire pour l’invention que le motif de structure M du filtre 10 soit répété selon un pas de répétition qui est constant le long de l’axe x et, dans la suite, une telle constance du pas de répétition sera mentionnée lorsqu’elle est mise en œuvre pour produire une caractéristique du filtre 10. L’angle d’incidence du rayonnement à filtrer RI, noté θ, est alors mesuré par rapport à un axe z qui est perpendiculaire à la face F₁, et dans un plan qui est parallèle aux deux axes x et z. montre deux conditions alternatives d’utilisation du filtre 10, pour lesquelles l’angle d’incidence θ est nul et non-nul. Pour obtenir une efficacité de filtrage optimale, le rayonnement à filtrer RI peut être polarisé linéairement, avec une direction de champ électrique qui est dans le plan des axes x et z.

Conformément à qui est une vue en coupe d’une partie du filtre 10 dans un plan parallèle aux axes x et z, le motif de structure M comprend une fente 1 et au moins un sillon 2, qui sont formés dans un film conducteur 11. Dans l’exemple de , le motif M comprend aussi un sillon supplémentaire 3. Le sillon 3 est moins profond que le sillon 2, et les profondeurs respectives des deux sillons sont notées p₂pour le sillon 2 et p₃pour le sillon 3. e désigne l’épaisseur du film conducteur 11 dans lequel le motif M est formé, de préférence avec plusieurs répétitions de ce même motif le long de l’axe x. est limitée à trois répétitions successives du motif M, mais un nombre quelconque de répétitions peut être utilisé pour obtenir un filtre dont la taille est adaptée aux besoins de son utilisation. Par exemple, le film 11 peut être en or (Au), mais il peut être constitué alternativement de tout autre matériau conducteur électriquement, de préférence métallique. Ainsi, le film 11 peut aussi être en polysilicium fortement dopé, ou tout autre matériau semiconducteur dégénéré. Le film 11 peut être autosupporté, ou porté par un substrat non-représenté qui est transparent pour le rayonnement à filtrer RI. Dans l’exemple d’utilisation illustré par , le rayonnement à filtrer RI est incident sur la face F₁du filtre 10 et chacun des sillons 2 et 3 est formé dans le film 11 en étant ouvert sur cette même face F₁, mais cela n’est pas indispensable et l’un quelconque des deux sillons, ou les deux, peut (peuvent) être ouvert(s) alternativement sur la face F₂du filtre 10 de laquelle émerge la partie filtrée T du rayonnement RI.

est un diagramme spectral de transmission et réflexion du filtre 10 de . L’axe horizontal repère les valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer RI, notées λ et exprimées en micromètres, et l’axe vertical repère les valeurs de transmission spectrale du filtre 10, notées T(λ) et exprimées en tant qu’éclairement spectral de la partie T du rayonnement RI qui est transmise à travers le filtre 10, normalisé par rapport à l’éclairement spectral du rayonnement RI. Le rayonnement à filtrer RI possède une structure de faisceau parallèle. La fenêtre de transmission spectrale du filtre 10, aussi appelée bande passante, est désignée par BP et comprise entre une valeur limite λ_dde début de bande passante et une valeur limite λ_fde fin de bande passante. La valeur centrale de la bande passante BP, ou longueur d’onde centrale de transmission, est notée λ_met peut être définie selon , et la largeur de la bande passante BP est L_BP=λ_f- λ_d. Dans la partie générale de la présente description, les valeurs limites λ_det λ_font été appelées limites inférieure et limite supérieure, respectivement, de la fenêtre de transmission spectrale du filtre. Le diagramme de montre aussi les valeurs de réflexion spectrale du filtre 10, notées R(λ) et exprimées en tant qu’éclairement spectral d’une partie du rayonnement RI qui est réfléchie par le filtre 10, normalisé par rapport à l’éclairement spectral du rayonnement RI.

De façon connue, la fente 1 constitue un premier résonateur de Fabry-Pérot, à composantes d’onde stationnaire qui se propagent parallèlement à l’axe z, et dont la longueur d’onde de résonance pour la partie T du rayonnement RI qui est transmise entre les faces F₁et F₂par la fente 1 seule, est déterminée par l’épaisseur e du film 11. Lorsque le film 11 est métallique, cette longueur d’onde de résonance de la fente 1, notée λ_f1, est égale à 2,5·n₁·e, où n₁est l’indice de réfraction d’un premier milieu homogène et transparent qui est présent à l’intérieur de la fente 1. Alors, l’épaisseur e du film 11 peut être sélectionnée pour être égale à λ_m/(2,5·n₁), de sorte que la valeur centrale λ_mde la bande passante BP soit égale à la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot qui est constitué par la fente 1.

De façon aussi connue, le sillon 2 constitue un deuxième résonateur de Fabry-Pérot, aussi à composantes d’onde stationnaire qui se propagent parallèlement à l’axe z, et dont la longueur d’onde de résonance pour la partie du rayonnement RI qui est réfléchie par le sillon 2 seul, est déterminée par la profondeur p₂de ce sillon 2. Cette longueur d’onde de résonance du sillon 2, notée λ_s2, est égale 5·n₂·p₂, où n₂est l’indice de réfraction d’un deuxième milieu homogène et transparent qui est présent à l’intérieur du sillon 2, encore lorsque le film 11 est métallique. Alors, la profondeur p₂du sillon 2 peut être sélectionnée pour que la longueur d’onde de résonance λ_s2soit égale à la limite supérieure λ_fde la bande passante BP. Ainsi, le sillon 2 détermine la valeur de cette limite supérieure de la bande passante BP, avec une pente de la transmission spectrale T(λ) du filtre 10 qui est très importante à la limite supérieure λ_f, et avec une valeur pour la transmission spectrale T(λ) du filtre 10 qui est nulle ou presque nulle pour au moins une autre valeur de la longueur d’onde λ qui est peu supérieure à λ_f. La transmission spectrale T(λ) du filtre 10 présente alors un profil de coupure qui est abrupt au niveau de la limite supérieure λ_fde la bande passante BP, grâce à un effet d’interférence entre un premier chemin optique qui correspond au passage du rayonnement RI à travers le film 11 par la fente 1, et un deuxième chemin optique qui correspond à une réflexion du rayonnement RI dans le sillon 2 suivie d’une transmission par la fente 1. Un tel profil, qui résulte des deux résonances individuelles respectives de la fente 1 et du sillon 2, et de l’existence d’un couplage entre ceux-ci, est connu sous le nom de profil de Fano. Deux conditions pour que le couplage existe sont que la fente 1 et le sillon 2 soient séparés par une distance, mesurée selon l’axe x dans le cas présent, qui est plus petite que la limite inférieure λ_dde la bande passante BP, et que des intervalles spectraux de résonance individuelle de la fente 1 et du sillon 2 aient un recouvrement entre eux. Ces intervalles spectraux de résonance individuelle sont [λ_f1(1-1/Q₁), λ_f1(1+1/Q₁)] pour la fente 1 lorsque Q₁est le facteur de qualité de la résonance individuelle du premier résonateur de Fabry-Pérot constitué par la fente 1, et [λ_s2(1-1/Q₂), λ_s2(1+1/Q₂)] pour le sillon 2 lorsque Q₂est le facteur de qualité de la résonance individuelle du deuxième résonateur de Fabry-Pérot constitué par le sillon 2. Les valeurs des facteurs de qualité Q₁et Q₂peuvent être mesurées expérimentalement sur des échantillons dédiés, pourvus seulement de fentes 1 ou seulement de sillons 2. Alternativement, elles peuvent être calculées. Elles dépendent notamment du milieu qui est contenu dans la fente 1 ou le sillon 2, et de leurs largeurs respectives, notées l₁et l₂.

Les résonances de Fabry-Pérot qui ont été mentionnées ci-dessus pour la fente 1 et le sillon 2 sont appelées résonances individuelles de la fente et du sillon, respectivement, par opposition au couplage entre la fente 1 et le sillon 2 qui est utilisé selon l’invention.

De la même façon que pour le sillon 2, le sillon 3 constitue un troisième résonateur de Fabry-Pérot, encore à composantes d’onde stationnaire qui se propagent parallèlement à l’axe z, et dont la longueur d’onde de résonance individuelle pour la partie du rayonnement RI qui est réfléchie par le sillon 3 seul, est déterminée par la profondeur p₃de ce sillon 3. Cette longueur d’onde de résonance individuelle du sillon 3, notée λ_{s 3}, est donc égale 5·n₃·p₃, où n₃est l’indice de réfraction d’un troisième milieu homogène et transparent qui est présent à l’intérieur du sillon 3, encore lorsque le film 11 est métallique. Alors, la profondeur p₃du sillon 3 peut être sélectionnée pour que la longueur d’onde de résonance λ_{s 3}soit égale à la limite inférieure λ_dde la bande passante BP diminuée de la moitié de la largeur de cette bande passante BP : λ_{s 3}= λ_d- L_BP/2. Ainsi, le sillon 3 détermine la valeur de la limite inférieure λ_dde la bande passante BP, avec une valeur pour la transmission spectrale T(λ) du filtre 10 qui est nulle ou presque nulle pour au moins une valeur de la longueur d’onde λ qui est peu inférieure à λ_d. La transmission spectrale T(λ) du filtre 10 possède de cette façon un profil de coupure qui est aussi abrupt au niveau de la limite inférieure λ_dde la bande passante BP, grâce à une interférence entre le premier chemin optique qui correspond au passage du rayonnement RI à travers le film 11 par la fente 1, et un troisième chemin optique qui correspond à une réflexion du rayonnement RI dans le sillon 3 suivie d’une transmission par la fente 1. Il s’agit encore d’un profil de Fano, cette fois au niveau de la limite inférieure λ_dde la bande passante BP, avec un sens de variation de la transmission spectrale T(λ) qui est opposé à celui du profil situé au niveau de la limite supérieure λ_fde la bande passante BP. Cet autre profil de Fano résulte du couplage entre la fente 1 et le sillon 3. Pour cela, la fente 1 et le sillon 3 doivent être séparés par une distance qui est plus petite que la limite inférieure λ_dde la bande passante BP, et les intervalles de résonance individuelle de la fente 1 et du sillon 3 doivent avoir un recouvrement. L’intervalle de résonance individuelle de la fente 1 est encore [λ_f1(1-1/Q₁), λ_f1(1+1/Q₁)], et celui du sillon 3 est [λ_s3(1-1/Q₃), λ_s3(1+1/Q₃)] lorsque Q₃est le facteur de qualité de la résonance individuelle du troisième résonateur de Fabry-Pérot constitué par le sillon 3. La valeur du facteur de qualité Q₃peut être déterminée de la même façon que celles de Q₁et Q₂. Elle dépend notamment du troisième milieu qui est contenu dans le sillon 3, et de la largeur l₃de ce dernier.

D’après le mode de détermination des dimensions du motif M qui vient d’être présenté, la profondeur p₂du sillon 2 est supérieure à celle p₃du sillon 3.

La caractéristique de transmission spectrale T(λ) du filtre 10 ne dépend presque pas des distances de séparation entre la fente 1 et chacun des sillons 2 et 3. Il n’importe pas non plus que le sillon 2 soit plus proche de la fente 1 que le sillon 3, ou l’inverse, tant que chaque sillon 2, 3 est séparé de la fente 1 d’une distance qui est plus petite que la limite inférieure λ_dde la bande passante BP.

A titre d’exemple, les largeurs l₁de la fente 1, l₂du sillon 2 et l₃du sillon 3 peuvent être égales à λ_d/10, λ_d/10 et λ_d/20, respectivement, et les premier, deuxième et troisième milieux qui remplissent la fente 1, le sillon 2 et le sillon 3 peuvent être tous de l’air, du sulfure de zinc (ZnS), du germanium (Ge), du fluorure de magnésium (MgF₂), du fluorure d’yttrium (YF₃), du séléniure de zinc (ZnSe) ou du silicium amorphe (Si), lorsque les limites inférieure λ_det supérieure λ_fde la bande passante BP sont prises sensiblement égales à 8 µm et 10 µm, respectivement. Les distances successives de séparation entre la fente et les sillons à l’intérieur du motif M, d₁₂et d₂₃pour le mode de réalisation de , peuvent être égales chacune à λ_d/10. Chacune des distances de séparation d₁₂et d₂₃, ainsi que la distance de séparation d₃₁entre une fente et un sillon voisin qui appartiennent à des répétitions successives du motif M, est de préférence supérieure à deux fois une épaisseur de peau d_mdu matériau conducteur du film 11 pour la limite inférieure λ_dde la bande passante BP. De cette façon, les plasmons d’une fente et d’un sillon, ou de deux sillons, qui sont voisins l’un de l’autre, ne sont pas directement couplés ou confondus. Pour les modes de réalisation où le motif M à une fente et deux sillons est répété, un pas de cette répétition, noté p dans , est ainsi avantageusement supérieur à l₁+ l₂+ l₃+ 6·d_m.

Enfin, lorsque le motif M est répété périodiquement le long de l’axe x, et lorsque la limite inférieure λ_dde la bande passante BP est déterminée par le sillon 3, comme cela vient d’être décrit, il est préférable que le pas de répétition p soit plus petit que 0,8·λ_d/[1 + sin(θ)]. De cette façon, aucun effet de diffraction du rayonnement RI par le réseau périodique que constituent alors les répétitions du motif M ne vient perturber la courbe de transmission spectrale T(λ) dans la bande passante BP. Il est possible de fournir le filtre 10 avec une valeur maximale prescrite θ_maxpour l’angle d’incidence θ. Dans ce cas, il suffit que le pas de répétition p soit plus petit que 0,8·λ_d/[1 + sin(θ_max)]. Il est aussi possible pour éviter que l’effet de diffraction par réseau perturbe la courbe de transmission spectrale T(λ) telle que déterminée par le sillon 3, de répéter le motif M le long de l’axe x avec des distances de répétition qui sont variables entre répétitions successives.

A l’inverse, la limite inférieure λ_dde la bande passante BP peut être définie en utilisant l’effet de diffraction par réseau périodique qui est obtenu en répétant le motif M le long de l’axe x avec le pas de répétition p qui est constant et plus grand que la moitié de la limite inférieure λ_dvoulue pour la bande passante BP du filtre 10. Dans ce cas, le motif M peut être dépourvu de sillon 3 comme montré par . La condition p < 0,8·λ_d/[1 + sin(θ_max)] reste applicable pour un filtre qui est conforme à . Lorsque les deux conditions p > λ_d/2 et p < 0,8·λ_d/[1 + sin(θ_max)] sont applicables simultanément, il est alors nécessaire que la valeur maximale prescrite θ_maxsoit plus grande que Arcsin(0,6), où Arcsin( ) désigne la fonction réciproque du sinus.

Afin d’obtenir des valeurs pour la transmission spectrale T(λ) du filtre 10 qui soient plus élevées dans sa bande de transmission BP, il est avantageux que le motif M soit répété le long de l’axe x à chaque fois avec un pas de répétition p qui est plus petit que la limite inférieure λ_dde la bande passante BP, que ce pas soit constant ou non entre des répétitions successives, et que la limite inférieure λ_dde la bande passante BP soit fixée par le sillon 3 ou par l’effet de diffraction de réseau sans sillon 3. Toutefois, et comme cela a été indiqué plus haut, d’autres raisons peuvent conduire à adopter avantageusement une valeur maximale pour le pas de répétition p qui est plus petite que la limite inférieure λ_dde la bande passante BP.

Le procédé de fabrication du filtre 10 peut alors comprendre au moins les étapes successives suivantes :
étape 1: prescription des valeurs des limites inférieure λ_det supérieure λ_fde la fenêtre de transmission spectrale, ou bande passante BP, du filtre 10 ;
étape 2: calcul de la profondeur p₂du sillon 2 à partir de la valeur de la limite supérieure λ_fselon la formule : p₂= λ_f/(5·n₂) ;
étape 3: lorsque la valeur de la limite inférieure λ_dest à produire par un sillon 3, calcul de la profondeur p₃de ce sillon 3 à partir de la valeur de cette limite inférieure λ_dselon la formule : p₃= (λ_d- L_BP/2) /(5·n₃), ou lorsque la valeur de la limite inférieure λ_dest à produire par effet de diffraction de réseau, sélection d’une valeur pour le pas de répétition p du motif M qui est plus grande que λ_d/2 ;
étape 4: calcul de la longueur d’onde centrale λ_mde la bande passante BP du filtre 10 selon la formule : ;
étape 5: fourniture du film métallique 11, avec une épaisseur effective e qui correspond à la longueur d’onde centrale λ_mau moins à l’endroit de la fente 1, selon la formule : e = λ_m/(2,5·n₁) ;
étape 6: graver chaque fente 1 et chaque sillon 2, ainsi que chaque sillon 3 le cas échéant, dans le film métallique 11 à des endroits de celui-ci tels que déterminés aux étapes 3 et 5 ; et
étape 7 optionnelle: remplir les fentes 1 et chacun des sillons 2, 3 avec le milieu diélectrique correspondant, lorsque ce milieu n’est pas l’air.
Un tel procédé de fabrication est économique, facilement re-paramétrable à la demande en fonction de l’application à laquelle est destiné un nouveau filtre à fabriquer, et rapide à mettre en œuvre.

Le diagramme de correspond au filtre 10 de lorsque les premier, deuxième et troisième milieux qui remplissent la fente 1 et les sillons 2 et 3 sont tous de l’air. Ce filtre 10 a été conçu en prescrivant λ_d=8,0 µm et λ_f=10,1 µm, toutes les autres dimensions du motif M étant déterminées comme indiqué plus haut à partir de ces deux valeurs prescrites, et le pas de répétition p du motif M selon l’axe x, constant le long de cet axe, est égal à λ_d. La valeur maximale de la transmission spectrale T(λ) est supérieure à 0,8 dans une partie principale de la bande passante BP, avec un profil au sommet qui est assez plat, et la transmission spectrale T(λ) est environ égale à 10^-3pour les valeurs 7,2 µm et 10,8 µm de la longueur d’onde λ.

Le diagramme de correspond à celui de lorsque l’angle d’incidence θ du rayonnement à filtrer RI est égal à 50° (degré), pour le même filtre 10 et lorsque l’éclairement en transmission est évalué dans l’alignement de la direction d’incidence, c’est-à-dire sans déviation entre le rayonnement à filtrer RI et sa partie T qui est transmise à travers le filtre 10. La comparaison des deux diagrammes montre que les caractéristiques de filtrage sont peu modifiées par une telle valeur de l’angle d’incidence θ, malgré l’importance de cette valeur angulaire.

montre une variante de réalisation de l’invention dans laquelle le film métallique 11 porte un empilement appelé MIM, pour Métal-Isolant-Métal. Cet empilement est constitué par une couche intermédiaire 12 qui a été déposée sur la face F₁du film 11, et par une couche supérieure 13 qui a été déposée sur la couche intermédiaire 12. Pour un tel mode de réalisation, le film 11 a été appelé film conducteur de base dans la partie générale de la présente description. Par exemple, la couche intermédiaire 12 peut être en sulfure de zinc (ZnS), en germanium (Ge), en fluorure de magnésium (MgF₂), en fluorure d’yttrium (YF₃), en séléniure de zinc (ZnSe) ou en silicium amorphe (Si) qui sont diélectriques pour la bande III de rayonnement, et la couche supérieure 13 peut être en or. Dans l’exemple représenté, le motif M comprend la fente 1 et le sillon 2 seulement. La profondeur p₂du sillon 2 peut être contrôlée précisément, en utilisant l’interface entre le film 11 et la couche intermédiaire 12 comme interface d’arrêt lors d’une étape de gravure sélective utilisée pour former le sillon 2.

montre encore une autre variante de l’invention, dans laquelle le motif M comprend deux fentes 1 et 1’, et les sillons 2 et 3. Par exemple, la fente 1 est remplie d’air pendant une utilisation du filtre 10, et la fente 1’ est remplie lors de la fabrication du filtre 10 avec un matériau diélectrique tel que du sulfure de zinc (ZnS), du germanium (Ge), du fluorure de magnésium (MgF₂), du fluorure d’yttrium (YF₃), du séléniure de zinc (ZnSe) ou du silicium amorphe (Si). Chacune des deux fentes 1 et 1’ détermine individuellement, de la façon qui a été décrite plus haut, une valeur centrale de longueur d’onde d’une bande passante qui est séparée de celle déterminée par l’autre fente. La bande passante qui est déterminée par la fente 1 est située à plus courtes valeurs de la longueur d’onde λ pour le rayonnement à filtrer RI que la fente 1’, avec un minimum de la transmission spectrale T(λ) entre les deux bandes passantes jusqu’à des valeurs possiblement très faibles. Les deux sillons 2 et 3 déterminent alors simultanément les limites inférieure et supérieure respectives des deux bandes passantes, par leurs couplages respectifs avec l’une et l’autre des deux fentes 1 et 1’ qui sont effectifs simultanément. A titre d’illustration, le filtre 10 de peut avoir une première bande passante qui s’étend de 8,1 µm à 9,9 µm, produite par le couplage de la fente 1 avec les deux sillons 2 et 3, et une seconde bande passante qui s’étend de 10,2 µm à 10,8 µm, produite par le couplage de la fente 1’ aussi avec les deux sillons 2 et 3. Les deux bandes passantes sont séparées par un minimum de la transmission spectrale T(λ) qui est égal à environ 0,07 pour la valeur de longueur d’onde 10,05 µm.

illustre une autre façon de réaliser un filtre 10 à deux bandes passantes qui sont séparées. Au lieu d’être différenciées par la valeur d’indice de réfraction de leurs milieux diélectriques de remplissage respectifs, les deux fentes 1 et 1’ peuvent être différenciées par des valeurs effectives pour l’épaisseur e du film conducteur 11, qui sont différentes entre la fente 1 et la fente 1’. Par exemple, les deux fentes 1 et 1’peuvent être remplies d’air, le film métallique 11 possède l’épaisseur e à l’endroit de la fente 1, et possède une épaisseur réduite e’ à l’endroit de la fente 1’. Possiblement, l’épaisseur réduite e’ peut être réalisée en gravant un retrait RT dans le film 11 sur l’une des faces F₁ou F₂, voire les deux. Dans la pratique, il peut être suffisant que le retrait RT ne soit formé que sur un seul bord de la fente 1’, comme représenté.

Tous les modes de réalisation de l’invention qui ont été décrits ci-dessus mettent en œuvre des fentes et des sillons qui s’étendent uniquement parallèlement à l’axe y. Ces filtres ont donc un effet polarisant, c’est-à-dire que leurs caractéristiques de transmission spectrale T(λ) en incidence normale, correspondant à la valeur nulle pour l’angle θ, varient chacune entre la direction de polarisation linéaire qui est parallèle à l’axe x pour le rayonnement à filtrer RI, et celle parallèle à l’axe y. Un filtre 10 non-polarisant peut être obtenu en utilisant les mêmes fentes et sillons, avec des motifs et des répartitions qui sont identiques le long des deux axes x et y. Autrement dit, le filtre comporte une première répartition le long de l’axe x de fentes et sillons couplés qui s’étendent parallèlement à l’axe y, et une seconde répartition le long de l’axe y de fentes et sillons couplés qui s’étendent parallèlement à l’axe x, les deux répartitions étant identiques et seulement transposées de l’axe x à l’axe y. Le filtre 10 qui est obtenu ainsi, tel que représenté dans , n’est pas polarisant, c’est-à-dire que sa caractéristique de transmission spectrale T(λ) pour θ=0 est identique entre les deux directions de polarisation linéaire, parallèles à l’axe x et à l’axe y, pour le rayonnement à filtrer RI.

Enfin, étant donné qu’un filtre conforme à l’invention peut être fabriqué à partir du film conducteur 11 seulement en combinant des étapes de masquage, gravure, et éventuellement aussi de dépôt de matériau diélectrique, il est facile de varier les paramètres spatiaux de gravure et/ou de dépôt entre des zones adjacentes du film. Ainsi, en attribuant des valeurs pour les limites inférieure λ_det supérieure λ_fde la bande passante BP qui sont différentes d’une zone à l’autre, et en procédant aux étapes de masquage, gravure, et éventuellement aussi de dépôt de matériau diélectrique, avec des motifs qui sont paramétrés selon ces valeurs, une multitude de filtres différents et juxtaposés peut être fabriquée simultanément dans un même film conducteur 11. En particulier, une mosaïque de filtres conformes à l’invention peut être obtenue de cette façon, dans laquelle les filtres sont répartis par zones selon un réseau de répartition déterminé. montre un exemple possible d’une telle mosaïque, qui est désignée globalement par la référence 100, et qui possède un réseau carré de répartition de filtres avec quatre modèles différents de filtres respectivement affectés aux zones Z1, Z2, Z3 et Z4.

Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, les modifications suivantes peuvent être mises en œuvre, en fonction de chaque application à laquelle est destiné un filtre conforme à l’invention :
- le filtre peut être efficace dans un domaine spectral quelconque pour le rayonnement à filtrer, par exemple avec une bande passante qui est comprise entre 30 µm et 32 µm. Pour cela, l’épaisseur du film conducteur et la profondeur de chaque sillon sont adaptées pour les valeurs voulues des limites de bande passante, de même que sont adaptés les matériaux diélectriques éventuellement utilisés, mais les principes de détermination de ces valeurs d’épaisseur et de profondeur restent identiques à ceux qui ont été présentés ;
- un filtre qui est conforme à l’invention peut être utilisé dans un sens ou le sens inverse pour la face du filtre sur laquelle le rayonnement à filtrer est incident ;
- le matériau conducteur du film qui constitue le filtre n’est pas nécessairement métallique, et peut être alternativement constitué par un matériau semi-conducteur dégénéré, tel que du polysilicium fortement dopé ; et
- le motif qui comporte la fente et au moins un sillon n’est pas nécessairement répété périodiquement dans le film conducteur, mais il peut être répété avec des distances de séparation qui sont variables entre répétitions voisines.

Claims (14)

1. Filtre spectral (10) à résonateurs couplés, destiné à être utilisé par transmission et contenu entre deux faces (F₁, F₂) du filtre qui sont parallèles, une utilisation du filtre comprenant d’envoyer un rayonnement électromagnétique à filtrer sur une des faces du filtre et d’utiliser une partie du rayonnement qui est transmise à travers le filtre et émerge de l’autre face du filtre,
   le filtre (10) comprenant un film conducteur électriquement (11) qui est parallèle aux faces (F₁, F₂) dudit filtre, avec au moins une fente (1) qui traverse le film conducteur d’une face à l’autre, ladite fente contenant un premier milieu qui est transparent pour le rayonnement à filtrer de façon à former un premier résonateur de Fabry-Pérot avec des premières composantes d’onde stationnaire qui se propagent à l’intérieur de la fente perpendiculairement aux faces du filtre, une largeur (l₁) de la fente, mesurée parallèlement aux faces du filtre, étant plus petite qu’une limite inférieure (λ_d) d’une fenêtre de transmission spectrale du filtre, exprimée en valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer,
   le filtre (10) comprenant en outre, pour chaque fente (1), au moins un sillon (2) qui est formé dans le film conducteur (11) parallèlement à la fente, est séparé de ladite fente et ouvert sur une des faces (F₁, F₂) du filtre, a une profondeur (p₂) inférieure à une épaisseur (e) dudit film conducteur, et contient un second milieu qui est aussi transparent pour le rayonnement à filtrer de façon à former un second résonateur de Fabry-Pérot avec des secondes composantes d’onde stationnaire qui se propagent à l’intérieur du sillon perpendiculairement aux faces du filtre,
   le filtre (10) étant caractérisé en ce qu’une distance de séparation entre le sillon (2) et la fente (1) est plus petite que la limite inférieure (λ_d) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre,
   et en ce que l’épaisseur (e) du film conducteur (11) et la profondeur (p₂) du sillon (2) sont telles que, lors de l’utilisation du filtre (10), une première partie du rayonnement à filtrer qui a traversé le film conducteur par la fente (1) sans se propager dans le sillon, et une seconde partie du rayonnement à filtrer qui s’est propagée dans le sillon perpendiculairement aux faces (F₁, F₂) du filtre en plus de traverser le film conducteur par la fente, forment une interférence destructive pour la transmission à travers le filtre d’une partie rejetée du rayonnement, et pour une longueur d’onde qui appartient à un recouvrement d’intervalles spectraux respectifs de résonance individuelle des premier et second résonateurs de Fabry-Pérot,
   l’intervalle spectral de résonance individuelle du premier résonateur de Fabry-Pérot s’étendant de λ_{f 1}-3·Q₁à λ_{f 1}+3·Q₁, où λ_{f 1}et Q₁sont respectivement une longueur d’onde de résonance et un facteur de qualité de la résonance individuelle dudit premier résonateur de Fabry-Pérot, et
   l’intervalle spectral de résonance individuelle du second résonateur de Fabry-Pérot s’étendant de λ_{s 2}-3·Q₂à λ_{s 2}+3·Q₂, où λ_{s 2}et Q₂sont respectivement une longueur d’onde de résonance et un facteur de qualité de la résonance individuelle dudit second résonateur de Fabry-Pérot.
2. Filtre (10) selon la revendication 1, dans lequel le film conducteur (11) comprend un film conducteur de base et un empilement d’une couche conductrice électriquement (13) et d’une couche diélectrique (12), l’empilement étant porté par le film conducteur de base avec la couche diélectrique qui est intermédiaire entre la couche conductrice et le film conducteur de base, et dans lequel le sillon (2) est formé dans l’empilement au-dessus du film conducteur de base.
3. Filtre (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’épaisseur (e) du film conducteur (11) et la profondeur (p₂) du sillon (2) sont telles que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_{s 2}du second résonateur de Fabry-Pérot formé par le sillon soit plus grande que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot formé par la fente (1).
4. Filtre (10) selon la revendication 3, dans lequel un motif (M) qui comprend la fente (1) et le sillon (2) couplés l’un avec l’autre pour produire l’interférence destructrice lors de l’utilisation du filtre, est répété périodiquement dans le filtre parallèlement aux faces (F₁, F₂) dudit filtre, de façon à former un réseau diffractant, et un pas (p) de répétition du motif est adapté pour que le réseau diffractant produise une diffraction de premier ordre du rayonnement à filtrer pour une valeur de longueur d’onde qui est plus petite que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot formé par la fente.
5. Filtre (10) selon la revendication 4, dans lequel le pas (p) de répétition du motif est plus grand que la moitié de la limite inférieure (λ_d) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, exprimée en valeurs de longueur d’onde.
6. Filtre (10) selon la revendication 3, comprenant en outre, pour chaque fente (1), au moins un sillon supplémentaire (3) qui est formé dans le film conducteur (11) parallèlement à ladite fente et ouvert sur une des faces (F₁, F₂) du filtre, a une profondeur (p₃) inférieure à l’épaisseur (e) dudit film conducteur, et contient un troisième milieu qui est transparent pour le rayonnement à filtrer de façon à former un troisième résonateur de Fabry-Pérot avec des troisièmes composantes d’onde stationnaire qui se propagent à l’intérieur dudit sillon supplémentaire perpendiculairement aux faces du filtre,
   dans lequel une distance de séparation entre le sillon supplémentaire (3) et la fente (1) est aussi plus petite que la limite inférieure (λ_d) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre (10),
   dans lequel une profondeur (p₃) du sillon supplémentaire (3) est telle que, lors de l’utilisation du filtre (10), la première partie du rayonnement à filtrer qui a traversé le film conducteur (11) par la fente (1) sans se propager dans aucun des sillons, et une troisième partie du rayonnement à filtrer qui s’est propagée le sillon supplémentaire perpendiculairement aux faces du filtre en plus de traverser le film conducteur par la fente, forment une autre interférence destructive pour la transmission à travers le filtre d’une autre partie rejetée du rayonnement, et pour une autre longueur d’onde qui appartient à un recouvrement des intervalles spectraux de résonance individuelle respectifs des premier et troisième résonateurs de Fabry-Pérot,
   l’intervalle spectral de résonance individuelle du troisième résonateur de Fabry-Pérot s’étendant de λ_{s 3}-3·Q₃à λ_{s 3}+3·Q₃, où λ_{s 3}et Q₃sont respectivement une longueur d’onde de résonance et un facteur de qualité de la résonance individuelle dudit troisième résonateur de Fabry-Pérot,
   la profondeur (p₃) du sillon supplémentaire (3) étant en outre telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s3du troisième résonateur de Fabry-Pérot formé par ledit sillon supplémentaire soit plus petite que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot formé par la fente (1).
7. Filtre (10) selon la revendication 6, dans lequel un motif (M) qui comprend la fente (1), ledit sillon (2) et ledit sillon supplémentaire (3), est répété périodiquement dans le filtre parallèlement aux faces (F₁, F₂) dudit filtre, selon un pas (p) de répétition du motif qui est plus grand qu’une somme qui comprend la largeur (l₁) de la fente (1) et des largeurs (l₂, l₃) respectives du sillon et dudit sillon supplémentaire, et six fois une épaisseur de peau du film conducteur électriquement pour la limite inférieure (λ_d) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre.
8. Filtre (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins deux répétitions identiques d’un motif (M) qui comprend au moins la fente (1) et le sillon (2), deux quelconques desdites répétitions du motif qui sont voisines présentant entre elles un pas de répétition (p) plus petit que la limite inférieure (λ_d) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre, exprimée en valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer.
9. Filtre (10) selon la revendication 8, dans lequel le pas de répétition (p) du motif (M) est en outre plus petit que la limite inférieure (λ_d) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre multipliée par un facteur égal à 0,8/[1 + sin(θ_max)], où sin( ) désigne une fonction trigonométrique de sinus, et θ_maxest une valeur maximale prescrite pour le filtre, pour un angle d’incidence du rayonnement à filtrer par rapport à une direction qui est perpendiculaire aux faces du filtre.
10. Procédé de fabrication d’un filtre (10), ledit filtre étant conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 9, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    /1/ prescrire une longueur d’onde de limite inférieure (λ_d) et une longueur d’onde de limite supérieure (λ_f) pour la fenêtre de transmission spectrale du filtre (10), et calculer une longueur d’onde moyenne (λ_m) de transmission du filtre à partir des longueurs d’onde des limites inférieure et supérieure de la fenêtre de transmission spectrale ;
    /2/ déterminer une valeur d’épaisseur (e) pour le film conducteur (11) telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot formé par la fente (1) soit égale à la longueur d’onde moyenne (λ_m) de transmission du filtre (10) ;
    /3/ déterminer une valeur de profondeur (p₂) pour le sillon (2) telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s2du second résonateur de Fabry-Pérot qui est formé par le sillon ayant ladite valeur de profondeur soit égale à la longueur d’onde de limite supérieure (λ_f) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre (10) ; et
    /4/ obtenir le film conducteur (11) avec l’épaisseur (e) dudit film conducteur qui est égale à la valeur d’épaisseur déterminée à l’étape /2/, et former la fente (1) dans ledit film conducteur, ainsi que le sillon (3) conformément à la valeur de profondeur (p₂) du sillon déterminée à l’étape /3/.
11. Procédé selon la revendication 10, suivant lequel le film conducteur (11) est métallique, et la valeur d’épaisseur (e) dudit film conducteur est déterminée à l’étape /2/ en divisant la longueur d’onde de résonance individuelle λ_f1du premier résonateur de Fabry-Pérot par 2,5 fois une valeur d’indice de réfraction du premier milieu qui est contenu dans la fente (1).
12. Procédé selon la revendication 11, suivant lequel la valeur de profondeur (p₂) du sillon (2) est déterminée à l’étape /3/ en divisant la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s2du second résonateur de Fabry-Pérot par cinq fois une valeur d’indice de réfraction du second milieu qui est contenu dans ledit sillon.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendication 10 à 12, suivant lequel le filtre (10) est conforme à la revendication 6, et
    l’étape /3/ comprend en outre de déterminer une valeur de profondeur (p₃) pour le sillon supplémentaire (3) telle que la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s3du troisième résonateur de Fabry-Pérot qui est formé par ledit sillon supplémentaire, soit égale à la longueur d’onde de limite inférieure (λ_d) de la fenêtre de transmission spectrale du filtre diminuée de la moitié d’une différence entre les longueurs d’onde des limites inférieure (λ_d) et supérieure (λ_f) de ladite fenêtre de transmission spectrale, et
    l’étape /4/ comprend en outre de former le sillon supplémentaire (3) dans le film conducteur (11) conformément à la valeur de profondeur (p₃) déterminée à l’étape /3/ pour ledit sillon supplémentaire.
14. Procédé selon les revendications 12 et 13, suivant lequel la valeur de profondeur (p₃) du sillon supplémentaire (3) est déterminée à l’étape /3/ en divisant la longueur d’onde de résonance individuelle λ_s3du troisième résonateur de Fabry-Pérot par cinq fois une valeur d’indice de réfraction du troisième milieu qui est contenu dans ledit sillon supplémentaire.