WO2012000928A1 - Filtre spectral avec membrane structuree a l'echelle sub-longueur d'onde et methode de fabrication d'un tel filtre - Google Patents

Filtre spectral avec membrane structuree a l'echelle sub-longueur d'onde et methode de fabrication d'un tel filtre Download PDF

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period
pattern
filter
membrane
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PCT/EP2011/060694
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Stéphane COLLIN
Grégory VINCENT
Riad Haidar
Jean-Luc Pelouard
Nathalie Bardou
Martine Laroche
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Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
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    • G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation

Definitions

  • the present invention relates to the field of spectral filters with membrane structured at sublength wave scale, and more particularly the field of spectral filters for wavelength radiation in the infrared spectral band.
  • Spectral filters consisting of stacks of thin layers (interference filters) are known. However, since they involve a large number of thin layers, these components have a fragility as soon as they are subjected to cycles of temperature variations, for example when they are arranged in a cryostat, especially for applications. in the infrared. Indeed, these cycles lead to embrittlement of the structure due to the thermal expansion coefficients that differ from one material to another and therefore from one layer to another, resulting in stresses between the layers and a risk of shear separation.
  • a filter operating in the infrared will require thicker layers than a filter operating in the visible, and very quickly, one will be faced with technological difficulties related to the thickness. In particular, the characteristics of the filter (width and spectral position) being directly related to the thickness, it is extremely complicated to juxtapose different filters on the same component, which can be useful for multispectral applications for example.
  • An object of the present invention is to provide a spectral filter with a wavelength dielectric membrane for filtering visible or infrared wavelength radiation, which notably has greater robustness and greater stability of optical performance in use.
  • the invention relates to a spectral filter adapted for filtering an incident light wave by reflection of said wave in a spectral band centered on at least a first central wavelength ⁇ given, the filter comprising a substrate with a through hole and a diaphragm formed of dielectric material.
  • the membrane is suspended above the orifice and is structured to form a set of bars organized in the form of a two-dimensional pattern repeated in two directions, the repetition of the pattern in at least one direction being periodic or quasi-periodic, with a first period less than the central wavelength ⁇ .
  • the organization of the bars of a filter thus produced has shown, in particular with respect to the filters of the prior art, substantially improved properties of robustness and optical stability.
  • the dielectric material is selected from silicon dioxide, manganese oxide, silicon carbide, silicon nitride, zinc sulfide, yttrium trifluoride, alumina .
  • the width of a bar is substantially less than ⁇ / 2 ⁇ where n is the refractive index of the material of which the membrane is formed.
  • the bars may have a section of substantially square, rectangular or circular shape, the latter variant to obtain a filter of greater selectivity.
  • the pattern has a parallelogram-like shape.
  • the membrane is then structured to form a two-dimensional grid with first bars parallel to a first direction and second bars parallel to a second direction, the first bars being formed by the repetition according to said first period of a first sub-pattern comprising at least one bar.
  • the first sub-pattern may include one or a plurality of parallel bars, to adapt the spectral response of the filter.
  • the first direction and the second direction are substantially perpendicular.
  • the second bars are also formed by the repetition according to a second period of a second sub-pattern comprising at least one bar per period.
  • the second period is less than the central wavelength ⁇ .
  • the second period is identical to the first period and the first and second sub-patterns are similar, making the structure symmetrical and in particular allowing the realization of a filter insensitive to the polarization of the incident wave.
  • the second period is different from the first period, allowing, for example, selective filtering spectrally as a function of the polarization of the incident wave.
  • two adjacent second bars are spaced a minimum distance, substantially greater than three times the central wavelength ⁇ .
  • the filter then has an optical response close to a filter with a structured one-dimensional membrane, while having improved robustness and reliability.
  • the pattern may comprise bars arranged in at least three different directions, in particular making it possible to obtain a better angular acceptance while keeping a certain degree of insensitivity to the polarization of the incident wave.
  • the invention relates to a multispectral matrix comprising a plurality of spectral filters according to the first aspect, adapted to filter different central wavelengths, the membranes of the filters being suspended over the same substrate.
  • a matrix has robustness and optical stability despite greater dimensions and keeps a constant thickness, the filter wavelength of each filter being determined by the patterns of the structured membrane and not its thickness.
  • the invention relates to an infrared imaging system comprising an infrared detector and a filter according to the first aspect or a multispectral matrix according to the second aspect, said filter or said matrix being used in transmission or in reflection.
  • the imaging system comprises means for rotating the filter or the matrix, making it possible to vary the angle of incidence of the incident wave on the at least one filter (s) to obtain one or more wavelength tunable filters.
  • the invention relates to a method for manufacturing a spectral filter adapted for the reflection filtering of an incident wave in a spectral band centered on at least a first central wavelength ⁇ given comprising:
  • the process also comprises an isotropic etching of the bars, for example by immersion of the filter thus obtained in a solution of a dilute acid allowing a controlled attack of the material of which the bars are made in order to round and / or reducing the section of said bars in a controlled manner.
  • Figure 1 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a filter according to the invention.
  • Figure 2 is a diagram schematically illustrating steps of a method of manufacturing a self-suspended membrane according to one embodiment of the invention.
  • Figure 3 represents an image taken under a scanning electron microscope of a self-suspended structured membrane for a filter according to a variant of the invention.
  • Figure 4 is a graph showing the measured transmission spectrum of a membrane filter according to the embodiment illustrated in Figure 2.
  • Fig. 5 is a graph showing measured transmission spectra of a membrane filter according to the embodiment illustrated in Fig. 2 for different angles of incidence.
  • FIG. 6 represents a scanning electron microscope image of a self-suspended structured membrane for a filter according to another variant of the invention.
  • Figure 7 is a graph showing the measured transmission spectra of a membrane filter of the type of Figure 6, respectively in TE and TM mode.
  • Figures 8A and 8B illustrate two examples of structured membranes according to two embodiments of a filter according to the invention.
  • FIGS. 9A and 9B illustrate variants of structured membranes of a filter according to the invention, respectively with hexagon and parallelogram-shaped patterns showing triangles.
  • Figure 10 illustrates a multispectral matrix incorporating a plurality of filters in one embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a filter equipped with a self-suspended membrane in an exemplary embodiment of the invention. It is an illustrative scheme whose elements are not represented on their true scale.
  • the filter generally comprises a substrate 10, an orifice 20 passing through the substrate 10 and a structured membrane 30 suspended above the orifice 20.
  • the membrane is formed of dielectric material.
  • dielectric material is generally meant a material or a stack of materials whose dielectric permittivity has a positive real part and an imaginary part zero or very small in front of the real part.
  • the membrane is structured to form a set of bars organized in the form of a two-dimensional pattern, the pattern being repeated in two directions.
  • the reason may comprise bars arranged in two directions, it is then for example of parallelepiped shape, rectangle or square. It can take other forms, with bars arranged in at least three directions, for example a hexagon shape or have a complex structure with bars arranged in an outline and within this contour, as will be described later. In Figure 1, only first bars 32 are visible in section.
  • the substrate 10 is for example a silicon substrate, typically of the order of a few hundred micrometers thick. In use, the filter can be used in transmission (band cut) or in reflection (pass band).
  • FIG. 2 describes in simplified manner the steps of an exemplary method of manufacturing a bandpass filter according to the invention, for example of the type described in FIG. 1.
  • a layer 40 dielectric material is deposited on the front face of a substrate 10 (face intended to receive the incident light, see Figure 1).
  • the deposition can be performed by a plasma-assisted chemical vapor deposition technique.
  • a thickness of the layer 40 of dielectric material is generally between 0.5 micron and a few microns.
  • the dielectric material may be, for example, a nitride such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), a carbide such as silicon carbide (SiC), an oxide such as silicon dioxide (SiO 2 ), oxide of manganese (MnO), alumina (Al 2 O 3 ), a sulphide such as zinc sulphide (ZnS), a fluoride such as yttrium trifluoride (YbF 3 ).
  • the structured membrane 30 is formed using, for example, a UV or electronic lithography method so as to obtain a grid with the desired pattern.
  • a third step S3 the orifice 20 is engraved on the rear face of the substrate 10 in a given pattern (square, rectangular opening, etc.).
  • the orifice 20 passes through the substrate 10 so that the membrane 30 is suspended from a peripheral portion of an opening 210 of the orifice 20.
  • the etching of the substrate 10 can be carried out for example by chemical etching in a bath of tetramethylammonium hydroxide (TMAH).
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • a back surface of the substrate 10 may be covered with a layer of silicon oxide (SiO 2 ) comprising a passage for TMAH. This makes it possible to selectively etch the rear face of the substrate.
  • the shape of the passage on the silicon oxide layer deposited at the rear of the substrate 10 is related to the shape of the orifice 20 obtained by etching. You can also protect the front and the structure with one or several layers of protection. Typically, the surface of the opening 210 of the orifice 20 at the front face of the substrate 10 is of the order of a few square millimeters to several hundred square millimeters.
  • the method thus described makes it possible to obtain a suspended structured membrane 30 whose two-dimensional pattern makes it possible to impart rigidity to the structure.
  • the presence of bars arranged in different directions makes it possible to prevent transverse movement of the bars in the event of vibrations during use.
  • Applicants have thus found a much better optical performance stability, making it possible to test the filters thus produced in use condition, which had not been possible until now with the suspended membranes of the prior art.
  • bars are obtained whose section is substantially square or rectangular.
  • the sample undergoes isotropic etching of its bars, for example by immersing it in a solution of a dilute acid, which chemically attacks the material of which the bars are made. Isotropic etching is faster on the edges of the bars. It allows to round then reduce the section of the bars in a controlled manner. Bars of very small sections can thus be easily manufactured.
  • this chemical etching can be done for example in a dilute hydrofluoric acid solution (HF) for several minutes.
  • substantially round section bars in particular by reducing the size and roughness of the bars, a better selectivity in the filtering function.
  • FIG. 3 illustrates a first example of a structured membrane for producing a filter according to the invention.
  • the membrane 30 is structured to form a two-dimensional grid with first bars 32 parallel to a first direction Di and second bars 34 parallel to a second direction D 2 .
  • the first bars 32 are periodically arranged in a first period Ti and the second bars 34 are also arranged periodically, but with a period T 2 greater than Ti.
  • Both directions Di and D 2 are substantially perpendicular and the bars are organized in the form of a substantially rectangular pattern 33 repeated in each direction.
  • the periods ⁇ and T 2 are respectively equal to about 3 ⁇ and 20 ⁇
  • the width of the bars is about 500 nm and the bars are substantially square section.
  • FIG. 4 represents the transmission spectrum 41 measured for the spectral filter represented in FIG. 3, with an incident wave in an incidence plane perpendicular to the bars 32, having an angle of incidence of 5 ° defined with respect to the normal at the plane of the membrane and a polarization of the incident electric field parallel to the first bars 32 (TE polarizations).
  • the spectral response 41 is compared with the calculated spectrum 42 of a one-dimensional structure, having the same number of first bars 32 arranged with the same Ti period, for a similar incident wave.
  • the filter obtained according to this embodiment has a very selective optical resonance phenomenon around 3.3 ⁇ .
  • the transmission coefficient reaches 0.03 at the cut-off wavelength.
  • the spectrum has a second dip around 2.9 ⁇ .
  • FIG. 5 thus illustrates transmission spectra of the spectral filter represented in FIG. 3, measured for several angles of incidence (respectively 0 °, 10 °, 20 °).
  • angles of incidence there is a main depression, centered around the wavelength 3.2 ⁇ .
  • the appearance of a second resonance mode is explained by the non-zero angle of incidence. It is thus possible by modifying the angle of incidence and by filtering on one side of the central wavelength to adjust the filtering wavelength.
  • the cut-off wavelength depends on the period of the bars 32 spaced apart with a sublung wave period and the resulting filter is polarizing, only the TE polarization being reflected by the resonant mechanism.
  • the wave transmitted at the cut-off wavelength is polarized according to the TM polarization.
  • Such a filter can be used in transmission (band-cut filter) or in reflection (bandpass filter) for example in an imaging system.
  • the polarization analysis system may comprise an infrared imaging system with said spectral filter optimized for filtering at a given cut-off wavelength in the infrared spectral band, a detector sensitive to the length of the beam. cut-off wave of the filter and a device for rotating the polarization of the incident wave. If the incident wave comprises a component with a linear polarization, which is for example the case of an infrared radiation emitted by an artificial object (vehicle or building type for example), the signal measured in transmission will be variable with the position polarization rotation device (and minimal for example when the incident polarization is TE).
  • the second bars 34 may be arranged periodically in a period T 2 of the order of the period Ti of the first bars 32.
  • the periodic arrangement of the first bars 32 in a direction Di with a period ⁇ makes it possible to obtain a filtering effect around a first cut-off wavelength ⁇ as a function of ⁇ for a component of the incident electric field parallel to the direction Di.
  • the periodic arrangement of the second bars 34 with a period T 2 close to ⁇ makes it possible to obtain a filtering effect at a second cut-off wavelength ⁇ 2 close to ⁇ for a component of the incident electric field parallel to the direction D 2 .
  • a spectral filter with a membrane thus structured allows for example a selective wavelength filtering, performed by selecting the polarization of the incident wave.
  • FIG. 6 illustrates a scanning electron microscope image of an example of a structured membrane 30 made using the method previously described, comprising first and second bars 32 and 34, of substantially square cross-section at 500 nm, the bars being respectively parallel to two directions Di and D 2 perpendicular and being arranged in the same period T of the order of 3 ⁇ .
  • the bars are thus organized in this example in the form of a substantially square pattern 33 repeated in each direction. Since the period of the first and second bars is identical, the cut-off wavelengths ⁇ 0 for an incident wave polarized with a polarization TE in the direction Di and D 2 are identical. In normal incidence, this allows in particular to extinguish the wavelength ⁇ 0 in a radiation transmitted independently of the polarization of the incident wave.
  • the first and second bars have the same width and the same thickness, and the width of the resonance is therefore identical for the components of the field along the directions Di and D 2 .
  • the incident wave transmitted by the membrane is spectrally filtered independently of the polarization of the incident field.
  • FIG. 7 illustrates the transmission spectra 71, 72 measured at normal incidence of the filter as shown in FIG. 6, respectively for an incident wave whose electric field is oriented in the direction Di and for an incident wave whose electric field is oriented in the direction D 2 .
  • the transmission spectra are superimposed.
  • such a filter can be used in reflection or in transmission, for example in an imaging system.
  • the membrane may be structured to form a two-dimensional grid with first bars 32 parallel to a first direction and second bars 34 parallel to a second direction, the first bars being formed by the repetition according to the first period ( ⁇ ) of a first sub-pattern 320 comprising a plurality of bars.
  • a structure makes it possible to obtain a multi-resonant filter for a component of the electric field parallel to the direction of the first bars.
  • Figure 8A illustrates an example of such a structure.
  • the structure 30 is obtained in this example by the repetition in two non-parallel directions of a first sub-pattern 320 comprising two bars 321 and 322 per period and a second sub-pattern 340 comprising a bar 34 per period.
  • the two bars 321 and 322 of the first sub-pattern 320 have identical, for example circular, sections, and the periods of the first and second sub-patterns are substantially identical, the main pattern according to which are arranged the bars being substantially square.
  • the sub-pattern 320 comprises two bars 323 and 324 per period, but the bar 323 has a smaller section than the section of the bar 324.
  • a section variation of the bars of the structure allows to modify the width of the resonance around the cut-off wavelength.
  • the first sub-pattern and / or the second sub-pattern may comprise more than two bars.
  • the bars of the first sub-pattern and / or the second sub-pattern may be regularly spaced in the sub-pattern or may be irregularly spaced and may be of different section.
  • the structure may be symmetrical with respect to the bisector of the directions D1 and D2 with the same number of sub-patterns per period, making it possible to produce a spectral filter insensitive to polarization.
  • Figures 9A and 9B illustrate alternative patterns in which the bars of the membrane can be organized.
  • the pattern 33 is hexagonal, repeated periodically along two directions Di and D 2 with periods Ti and T 2 .
  • the pattern 33 is complex, with a general parallelogram shape, a bar being furthermore arranged along a diagonal of the parallelogram, the pattern being again periodically repeated in two directions D1 and D2 with periods T1 and T2.
  • a transmission response of the filter is expected with greater angular acceptance, while preserving insensitivity to the polarization.
  • the pattern according to which the bars are organized can be repeated almost periodically, that is to say with a period of slow variation.
  • the filtering function is effective when the number of repetitions of the pattern is at least equal to the quality factor of the filter, defined as the ratio of the central wavelength of filtering by the spectral width halfway. height.
  • the quality factor of the filter defined as the ratio of the central wavelength of filtering by the spectral width halfway. height.
  • the period varies slowly, that is to say from a value substantially less than the spectral width at mid-height for a number of bars substantially equal to the quality factor, the function of filtering while dragging the filtering wavelength.
  • the variation of the period can be a linear function of the distance, according to the periodicity direction of the pattern.
  • the quasi-periodic repetition provides a filtered response whose cutoff wavelength ⁇ 0 varies continuously from one end of the filter to the other, covering a whole spectral range.
  • a filter of length 10 mm in this first direction makes it possible to cover the entire II transmission band of the atmosphere (3 to 5 microns) with a spectral shift of ⁇ / 5 on Q bars where Q is the quality factor and ⁇ the width at half height of a periodic filter.
  • a minimum periodicity substantially equal to three times the wavelength provides, for example, an unfiltered transmission.
  • Figure 10 illustrates a multispectral matrix 50 comprising several filters spectral 1 juxtaposed.
  • the filters 1 can be adapted to present different spectral responses.
  • the filters 1 can be adapted to filter several juxtaposed spectral bands. This can be used to analyze an image on successive wavelength bands.
  • the structured membranes according to the invention have a thickness that is almost independent of their optical properties.
  • the spectral response of the structured membranes according to the invention can in fact be determined mainly by the period of the bars on the suspended structure and by the material chosen to form the structure.
  • the structure produced is also more robust and optically stable because of the organization of the bars in the form of a two-dimensional pattern repeated in two directions, the manufacture of a multispectral matrix 50 of constant thickness with several filters is made possible.
  • the spectral filter and the method of producing the spectral filter according to the invention comprise various variants, modifications and improvements which will be obvious to those skilled in the art. it being understood that these various variants, modifications and improvements are within the scope of the invention, as defined by the following claims.

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Abstract

Selon un premier aspect, la présente invention concerne un filtre spectral adapté pour le filtrage d'une onde incidente au moins une première longueur d'onde centrale λ0 donnée comprenant un substrat avec un orifice traversant et une membrane en matériau diélectrique. La membrane est suspendue au dessus de l'orifice et est structure pour former un ensemble de barreaux organisés sous la forme d'un motif (33) deux dimensions répété selon deux directions (D1, D2), la répétition du motif selon au moins une direction tant périodique ou quasi périodique, avec une première période (T1) inférieure la longueur d'onde centrale λ0

Description

FILTRE SPECTRAL AVEC MEMBRANE STRUCTURÉE A L'ÉCHELLE SUBLONGUEUR D'ONDE ET METHODE DE FABRICATION D'UN TEL FILTRE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des filtres spectraux avec membrane structurée à l'échelle sublongueur d'onde, et plus particulièrement le domaine des filtres spectraux pour radiation de longueurs d'onde dans la bande spectrale infrarouge.
Etat de l'art
On connaît des filtres spectraux constitués d'empilements de couches minces (filtres interférentiels). Cependant, dès lors qu'ils font intervenir un grand nombre de couches minces, ces composants présentent une fragilité dès qu'ils sont soumis à des cycles de variations de température, par exemple lorsqu'ils sont disposés dans un cryostat, notamment pour les applications dans l'infrarouge. En effet, ces cycles conduisent à une fragilisation de la structure du fait des coefficients de dilatation thermique qui diffèrent d'un matériau à l'autre et donc d'une couche à l'autre, entraînant des contraintes entre les couches et un risque de décollement par cisaillement. En outre, un filtre fonctionnant dans l'infrarouge nécessitera des couches plus épaisses qu'un filtre fonctionnant dans le visible, et très rapidement, on se trouvera confronté à des difficultés technologiques liées à l'épaisseur. En particulier, les caractéristiques du filtre (largeur et position spectrales) étant directement liées à l'épaisseur, il est extrêmement compliqué de juxtaposer différents filtres sur un même composant, ce qui peut s'avérer utile pour des applications multispectrales par exemple.
Depuis une dizaine d'années, différents travaux théoriques ont prédit des propriétés optiques singulières pour des structures membranaires formées de motifs sub-longueur d'onde. Dans R. Magnusson and S. S. Wang, "New principle for optical filters', Appl. Phys. Lett., 61(9) : 1022- 1024, 1992 , pour la première fois, une étude théorique a démontré la possibilité d'une réflexion sélective de quasiment 100% dans un réseau diélectrique sub-longueur d'onde déposé sur un support. Un mécanisme de résonance géométrique a été mis en évidence par R.Gomez-Medina ('Extraordinary optical reflection frorn sub-wavelength cylinder arrays', Optics Express, Vol.14, N°9, May 2006) pour expliquer les pics de réflexion dans un réseau de barreaux cylindriques en l'absence de modes plasmoniques. Ye et al. ('Rigorous réflectance performance analysis of Si3N4 seld suspended subwavelengths gratings', Optics Communications 270 (2007) 133-237) ont étudié plus en détails l'influence sur la réflexion d'une onde incidente polarisée TM des paramètres optogéométriques d'une membrane en matériau diélectrique structurée à l'échelle sub-longueur d'onde, dans une configuration d'une membrane auto suspendue. Ces différentes études théoriques ont montré que pour obtenir une réflexion sélective et ajustable en longueur d'onde, il est nécessaire d'avoir une structure possédant une symétrie par rapport à un plan parallèle au plan de la membrane, et ce préférentiellement dans un environnement diélectrique de faible indice, typiquement de l'air. Cela suppose des contraintes très fortes en terme de fabrication, ce qui a limité considérablement les études expérimentales de ces structures.
Récemment, l'article de Grégory Vincent et al., 'Large area dielectric and metallic freestanding gratings for mid-infrared optical fïïtering applications', J. Vac. Sci. Technol. B26(6), 3 Nov. 2008 , a présenté un procédé de fabrication de membranes nanostructurées auto suspendues, métalliques ou diélectriques, montrant la faisabilité de filtres passe bande ou coupe bande, notamment dans l'infrarouge, et des applications possibles dans les caméras infrarouge multispectrales.
Néanmoins, la fabrication de membranes suspendues ainsi réalisées présente des difficultés, notamment liées à une fragilité de la structure, limitant en particulier la taille des membranes. Par ailleurs, il s'est avéré qu'en utilisation, ces filtres montraient une stabilité de leurs performances optiques limitée, notamment due aux vibrations de la membrane soumise même aux plus légères perturbations atmosphériques.
Un objet de la présente invention consiste à présenter un filtre spectral avec membrane diélectrique sub-longueur d'onde pour le filtrage de radiations de longueur d'onde visible ou infrarouge qui présente notamment une meilleure robustesse et une plus grande stabilité des performances optiques en utilisation. Résumé de l'invention
Selon un premier aspect, l'invention concerne un filtre spectral adapté pour le filtrage d'une onde lumineuse incidente par réflexion de ladite onde dans une bande spectrale centrée sur au moins une première longueur d'onde centrale λο donnée, le filtre comprenant un substrat avec un orifice traversant et une membrane formée en matériau diélectrique. La membrane est suspendue au dessus de l'orifice et est structurée pour former un ensemble de barreaux organisés sous la forme d'un motif à deux dimensions répété selon deux directions, la répétition du motif selon au moins une direction étant périodique ou quasi périodique, avec une première période inférieure à la longueur d'onde centrale λο. L'organisation des barreaux d'un filtre ainsi réalisé a montré notamment par rapport aux filtres de l'art antérieur des propriétés de robustesse et de stabilité optique nettement améliorées.
Par exemple, et de façon non limitative, le matériau diélectrique est choisi parmi le dioxyde de silicium, l'oxyde de manganèse, le carbure de silicium, le nitrure de silicium, le sulfure de zinc, le trifluorure d'yttrium, l'alumine.
Selon une variante, la largeur d'un barreau est sensiblement inférieure à λο/2η où n est l'indice de réfraction du matériau dont est formée la membrane.
Les barreaux peuvent avoir une section de forme sensiblement carrée, rectangulaire ou circulaire, cette dernière variante permettant d'obtenir un filtre de plus grande sélectivité.
Selon un premier mode de réalisation du premier aspect de l'invention, le motif présente une forme de type parallélogramme. La membrane est alors structurée pour former une grille à deux dimensions avec des premiers barreaux parallèles à une première direction et des deuxièmes barreaux parallèles à une deuxième direction, les premiers barreaux étant formés par la répétition selon ladite première période d'un premier sous- motif comprenant au moins un barreau.
Le premier sous-motif peut comprendre un ou une pluralité de barreaux parallèles, permettant d'adapter la réponse spectrale du filtre.
Selon une variante, la première direction et la deuxième direction sont sensiblement perpendiculaires. Selon une variante, les deuxièmes barreaux sont également formés par la répétition selon une deuxième période d'un deuxième sous-motif comprenant au moins un barreau par période.
Selon une variante, la deuxième période est inférieure à la longueur d'onde centrale λο.
Selon un premier exemple, la seconde période est identique à la première période et les premier et deuxième sous-motifs sont similaires, rendant la structure symétrique et permettant notamment la réalisation d'un filtre insensible à la polarisation de l'onde incidente. Selon un second exemple, la seconde période est différente de la première période, permettant par exemple un filtrage sélectif spectralement en fonction de la polarisation de l'onde incidente.
Selon une variante, deux deuxièmes barreaux adjacents sont espacés d'une distance minimale, supérieure sensiblement à trois fois la longueur d'onde centrale λο. Le filtre présente alors une réponse optique proche d'un filtre avec une membrane structurée à une dimension, tout en ayant une robustesse et une fiabilité améliorées.
Selon un autre mode de réalisation, le motif peut comprendre des barreaux agencés selon au moins trois directions différentes, permettant notamment d'obtenir une meilleure acceptance angulaire tout en gardant un certain degré d'insensibilité à la polarisation de l'onde incidente.
Selon un second aspect, l'invention concerne une matrice multispectrale comprenant une pluralité de filtres spectraux selon le premier aspect, adaptés pour filtrer des longueurs d'ondes centrales différentes, les membranes des filtres étant suspendues au-dessus d'un même substrat. Une telle matrice présente une robustesse et une stabilité optique malgré des dimensions supérieures et garde une épaisseur constante, la longueur d'onde de filtrage de chaque filtre étant déterminée par les motifs de la membrane structurée et non son épaisseur.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne un système d'imagerie infrarouge comprenant un détecteur infrarouge et un filtre selon le premier aspect ou une matrice multispectrale selon le second aspect, ledit filtre ou ladite matrice étant utilisée en transmission ou en réflexion.
Selon une variante, le système d'imagerie comprend des moyens de rotation du filtre ou de la matrice, permettant de faire varier l'angle d'incidence de l'onde incidente sur le ou lesdits filtre(s) afin d'obtenir un ou plusieurs filtres accordables en longueur d'onde.
Selon un quatrième aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un filtre spectral adapté pour le filtrage par réflexion d'une onde incidente dans une bande spectrale centrée sur au moins une première longueur d'onde centrale λο donnée comprenant :
- le dépôt d'une couche mince en matériau diélectrique sur une face d'un substrat;
- la gravure de ladite couche mince en matériau diélectrique pour obtenir une membrane structurée pour former un ensemble de barreaux organisés sous la forme d'un motif à deux dimensions répété selon deux directions, la répétition du motif selon au moins une direction étant périodique ou quasi périodique, avec une période inférieure à la longueur d'onde centrale λ^;
- la gravure sur une face opposée du substrat d'un orifice traversant le substrat de sorte que la membrane structurée se trouve suspendue au dessus de l'orifice.
Selon une variante, le procédé comprend en outre une gravure isotrope des barreaux, par exemple par immersion du filtre ainsi obtenu dans une solution d'un acide dilué permettant une attaque contrôlée du matériau dont sont constitués les barreaux afin d'arrondir et/ou de réduire la section desdits barreaux d'une manière contrôlée.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures sur lesquelles :
La Figure 1 représente une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un filtre selon l'invention.
La Figure 2 est un diagramme illustrant schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication d'une membrane auto suspendue selon un mode de réalisation de l'invention.
La Figure 3 représente une image prise au microscope électronique à balayage d'une membrane structurée auto suspendue pour un filtre selon une variante de l'invention. La Figure 4 est un graphique montrant le spectre de transmission mesuré d'un filtre avec membrane selon le mode de réalisation illustré sur la figure 2.
La figure 5 est un graphique représentant des spectres de transmission mesurés d'un filtre avec membrane selon le mode de réalisation illustré sur la figure 2, pour différents angles d'incidence.
La Figure 6 représente une image prise au microscope électronique à balayage d'une membrane structurée auto suspendue pour un filtre selon une autre variante de l'invention.
La Figure 7 est un graphique montrant les spectres de transmission mesurés d'un filtre avec membrane du type de la figure 6, respectivement en mode TE et TM.
Les Figures 8A et 8B illustrent deux exemples de membranes structurées selon deux modes de réalisation d'un filtre selon l'invention.
Les figures 9A et 9B illustrent des variantes de membranes structurées d'un filtre selon l'invention, respectivement avec des motifs en forme d'hexagone et de parallélogramme faisant apparaître des triangles.
La Figure 10 illustre une matrice multispectrale incorporant une pluralité de filtres dans un mode réalisation de l'invention.
Description détaillée
La Figure 1 représente une vue en coupe d'un filtre équipé d'une membrane auto suspendue dans un exemple de réalisation de l'invention. Il s'agit d'un schéma illustratif dont les éléments ne sont pas représentés à leur juste échelle. Le filtre comprend généralement un substrat 10, un orifice 20 traversant le substrat 10 et une membrane structurée 30 suspendue au dessus de l'orifice 20.
La membrane est formée en matériau diélectrique. Par matériau diélectrique, on entend généralement un matériau ou un empilement de matériaux dont la permittivité diélectrique a une partie réelle positive et une partie imaginaire nulle ou très faible devant la partie réelle.
La membrane est structurée pour former un ensemble de barreaux organisés sous la forme d'un motif à deux dimensions, le motif étant répété selon deux directions. Le motif peut comprendre des barreaux arrangés selon deux directions, il est alors par exemple de forme parallélépipédique, rectangle ou carré. Il peut prendre d'autres formes, avec des barreaux arrangés selon au moins trois directions, par exemple une forme d'hexagone ou bien présenter une structure complexe avec des barreaux arrangés selon un contour et à l'intérieur de ce contour, comme cela sera décrit par la suite. Sur la figure 1, seuls des premiers barreaux 32 sont visibles en coupe. Le substrat 10 est par exemple un substrat en silicium, d'épaisseur typiquement de l'ordre de quelques centaines de micromètres. En utilisation, le filtre peut être utilisé en transmission (coupe bande) ou en réflexion (passe bande).
La figure 2 décrit de façon simplifiée les étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un filtre passe bande selon l'invention, par exemple du type de celui décrit sur la figure 1. Dans une première étape S 1 , une couche 40 en matériau diélectrique est déposée sur la face avant d'un substrat 10 (face destinée à recevoir la lumière incidente, voir figure 1). Le dépôt peut être effectué par une technique de dépôt chimique en phase gazeuse assisté par plasma. Une épaisseur de la couche 40 en matériau diélectrique est généralement comprise entre 0,5 micron et quelques microns. Le matériau diélectrique peut être par exemple un nitrure tel que le nitrure de silicium (Si3N4), un carbure tel que le carbure de silicium (SiC), un oxyde tel que le dioxyde de silicium (Si02), l'oxyde de manganèse (MnO), l'alumine (A1203), un sulfure tel que le sulfure de zinc (ZnS), un fluorure tel que le trifluorure d'yttrium (YbF3). Dans une deuxième étape S2, on procède à la formation de la membrane structurée 30 en utilisant par exemple une méthode de lithographie UV ou électronique de telle sorte à obtenir une grille avec le motif désiré. Dans une troisième étape S3, on grave l'orifice 20 sur la face arrière du substrat 10 selon un motif donné (ouverture carrée, rectangulaire, etc.). L'orifice 20 traverse le substrat 10 de sorte que la membrane 30 se trouve suspendue à une portion périphérique d'une ouverture 210 de l'orifice 20. La gravure du substrat 10 peut être effectuée par exemple par gravure chimique dans un bain d'hydroxyde de tetramethylammonium (TMAH). Préalablement au bain chimique, on peut recouvrir une face arrière du substrat 10 d'une couche d'oxyde de silicium (Si02) comprenant un passage pour le TMAH. Ceci permet de graver sélectivement la face arrière du substrat. La forme du passage sur la couche d'oxyde de silicium déposée à l'arrière du substrat 10 est liée à la forme de l'orifice 20 obtenu par gravure. On peut également protéger la face avant et la structure avec une ou plusieurs couches de protection. Typiquement, la surface de l'ouverture 210 de l'orifice 20 au niveau de la face avant du substrat 10 est de l'ordre de quelques millimètres carrés à plusieurs centaines de millimètres carrés.
Le procédé ainsi décrit permet d'obtenir une membrane structurée 30 suspendue, dont le motif à deux dimensions permet de conférer une rigidité à la structure. Notamment, la présence de barreaux agencés selon des directions différentes permet d'empêcher un mouvement transversal des barreaux en cas de vibrations lors de l'utilisation. Les déposants ont constaté ainsi une stabilité des performances optiques nettement meilleure, permettant de tester les filtres ainsi réalisés en condition d'utilisation, ce qui n'avait pas été possible jusqu'alors avec les membranes suspendues de l'art antérieur.
Avec le procédé précédemment décrit, on obtient des barreaux dont la section est sensiblement carrée ou rectangulaire. Selon une variante préférée du procédé, il est possible d'obtenir des barreaux dont la forme de la section tend vers une forme arrondie. Pour cela, l'échantillon subit une gravure isotrope de ses barreaux, par exemple en le plongeant dans une solution d'un acide dilué, qui attaque chimiquement le matériau dont sont constitués les barreaux. La gravure isotrope est plus rapide sur les arêtes des barreaux. Elle permet d'arrondir puis de réduire la section des barreaux d'une manière contrôlée. Des barreaux de très petites sections peuvent ainsi être fabriqués facilement. Dans le cas de barreaux en nitrure de silicium, cette gravure chimique peut être faite par exemple dans une solution d'acide fluorhydrique (HF) dilué, pendant plusieurs minutes.
Les déposants ont montré que des barreaux à section sensiblement ronde permettaient notamment par réduction de la taille et de la rugosité des barreaux, une meilleure sélectivité dans la fonction de filtrage.
La figure 3 illustre un premier exemple de membrane structurée pour la réalisation d'un filtre selon l'invention. Il s'agit ici d'une image prise au microscope électronique à balayage d'une membrane réalisée selon le procédé précédemment décrit. Dans cet exemple, la membrane 30 est structurée pour former une grille à deux dimensions avec des premiers barreaux 32 parallèles à une première direction Di et des deuxièmes barreaux 34 parallèles à une deuxième direction D2. Les premiers barreaux 32 sont agencés périodiquement selon une première période Ti et les deuxièmes barreaux 34 sont également agencés périodiquement, mais avec une période T2 supérieure à Ti. Les deux directions Di et D2 sont sensiblement perpendiculaires et les barreaux sont organisés sous la forme d'un motif 33 sensiblement rectangulaire répété dans chacune des directions. Dans cet exemple, les périodes ΤΊ et T2 sont respectivement égales à environ 3 μιη et 20 μιη, la largeur des barreaux est d'environ 500 nm et les barreaux sont à section sensiblement carrée.
La figure 4 représente le spectre en transmission 41 mesuré pour le filtre spectral représenté sur la figure 3, avec une onde incidente dans un plan d'incidence perpendiculaire aux barreaux 32, présentant un angle d'incidence de 5° défini par rapport à la normale au plan de la membrane et une polarisation du champ électrique incident parallèle aux premiers barreaux 32 (polarisations TE). La réponse spectrale 41 est comparée avec le spectre calculé 42 d'une structure à une dimension, présentant le même nombre de premiers barreaux 32 agencés avec la même période Ti, pour une onde incidente similaire. Le filtre obtenu selon le présent mode de réalisation présente un phénomène de résonance optique très sélectif autour de 3,3 μιη. Le coefficient de transmission atteint 0.03 à la longueur d'onde de coupure. Dans cet exemple, le spectre présente un second creux autour de 2,9 μιη. La présence de ce deuxième creux s'explique par l'angle d'incidence non nul, les deux pics (2,9 μιη et 3,3 μιη) étant situés de part et d'autre de la résonance de coupure attendue autour de 3 μιη à incidence normale (longueur d'onde proche de la valeur de la période Ti d'agencement des barreaux 32).
La figure 5 illustre ainsi des spectres en transmission du filtre spectral représenté sur la figure 3, mesurés pour plusieurs angles d'incidence (respectivement 0°, 10°, 20°). A incidence normale, on observe un creux principal, centré autour de la longueur d'onde 3,2 μιη. Avec l'angle d'incidence croissant, on observe l'apparition de deux creux de part et d'autre de la longueur d'onde centrale. L'apparition d'un deuxième mode de résonance s'explique par l'angle d'incidence non nul. Il est ainsi possible en modifiant l'angle d'incidence et en filtrant d'un côté de la longueur d'onde centrale d'ajuster la longueur d'onde de filtrage.
La comparaison des spectres 41 et 42 sur la figure 4 met en évidence qu'une structure du type de la figure 3 permet d'obtenir un filtrage qui s'approche du filtrage d'une structure à une dimension de même période Ti et de même direction Di. Les déposants ont montré en effet qu'en choisissant des deuxièmes barreaux 34 espacés d'une valeur minimale sensiblement égale à trois fois la longueur d'onde, on pouvait obtenir un filtre passe bande de comportement optique sensiblement identique à celui d'une membrane à une dimension mais d'une robustesse et d'une stabilité nettement supérieure.
Comme avec une membrane structurée selon une dimension, la longueur d'onde de coupure dépend de la période des barreaux 32 espacés avec une période sublongueur d'onde et le filtre obtenu est polarisant, seule la polarisation TE étant réfléchie par le mécanisme résonant. A contrario, l'onde transmise à la longueur d'onde de coupure est polarisée selon la polarisation TM. Un tel filtre peut être utilisé en transmission (filtre coupe bande) ou en réflexion (filtre passe bande) par exemple dans un système d'imagerie.
Les déposants ont montré que le mécanisme de réflexion résonant mis en évidence tant par la théorie qu'expérimentalement pouvait s'expliquer par un mécanisme de diffusion multiple cohérente. Autrement dit, pour une longueur d'onde donnée qui dépend de la géométrie de la structure, on observe une cohérence entre les ondes diffusées par chacun des barreaux de la structure. Cela se traduit par l'observation à ladite longueur d'onde d'une réflexion spéculaire, ladite longueur d'onde dépendant de l'angle entre la lumière incidente et la normale au plan de la membrane, comme cela apparaît sur la figure 5.
Selon un exemple d'application, un tel filtre peut être utilisé pour l'analyse de la polarisation d'une scène. Par exemple, le système d'analyse de la polarisation pourra comprendre un système d'imagerie infrarouge avec ledit filtre spectral optimisé pour le filtrage à une longueur d'onde de coupure donnée dans la bande spectrale infrarouge, un détecteur sensible à la longueur d'onde de coupure du filtre et un dispositif de rotation de la polarisation de l'onde incidente. Si l'onde incidente comprend une composante avec une polarisation linéaire, ce qui est par exemple le cas d'un rayonnement infrarouge émis par un objet artificiel (de type véhicule ou bâtiment par exemple), le signal mesuré en transmission sera variable avec la position du dispositif de rotation de la polarisation (et minimal par exemple lorsque la polarisation incidente est TE). Si l'onde incidente est purement non polarisée (typiquement cas d'un rayonnement infrarouge émis par un objet naturel, type végétation), le signal en transmission sera constant quelle que soit la position du dispositif de rotation de la polarisation. Selon une autre variante de l'invention, les deuxièmes barreaux 34 peuvent être agencés périodiquement selon une période T2 de l'ordre de la période Ti des premiers barreaux 32. L'agencement périodique des premiers barreaux 32 selon une direction Di avec une période ΤΊ permet d'obtenir un effet de filtrage autour d'une première longueur d'onde de coupure λι fonction de ΤΊ pour une composante du champ électrique incident parallèle à la direction Di. L'agencement périodique des deuxièmes barreaux 34 avec une période T2 proche de ΤΊ permet d'obtenir un effet de filtrage à une deuxième longueur d'onde de coupure λ2 proche de λι pour une composante du champ électrique incident parallèle à la direction D2. Un filtre spectral avec une membrane ainsi structurée permet par exemple un filtrage sélectif en longueur d'onde, réalisé en sélectionnant la polarisation de l'onde incidente.
La figure 6 illustre une image au microscope électronique à balayage d'un exemple de membrane structurée 30 fabriquée en utilisant le procédé précédemment décrit, comprenant des premiers et deuxièmes barreaux 32 et 34, de section sensiblement carrée de côté 500 nm, les barreaux étant respectivement parallèles à deux directions Di et D2 perpendiculaires et étant agencés selon une même période T de l'ordre de 3 μιη. Les barreaux sont ainsi organisés dans cet exemple sous la forme d'un motif 33 sensiblement carré répété dans chacune des directions. Comme la période des premiers et deuxièmes barreaux est identique, les longueurs d'onde de coupure λο pour une onde incidente polarisée avec une polarisation TE suivant la direction Di et D2 sont identiques. En incidence normale, ceci permet notamment d'éteindre la longueur d'onde λο dans une radiation transmise indépendamment de la polarisation de l'onde incidente. Dans cet exemple, les premiers et deuxièmes barreaux ont la même largeur et la même épaisseur, et la largeur de la résonance se trouve donc identique pour les composantes du champ suivant les directions Di et D2. Ainsi dans cet exemple, en plus des qualités de robustesse et de stabilité du filtre ainsi réalisé, l'onde incidente transmise par la membrane est filtrée spectralement indépendamment de la polarisation du champ incident.
La figure 7 illustre les spectres de transmission 71 , 72 mesurés en incidence normale du filtre tel que représenté sur la figure 6, respectivement pour une onde incidente dont le champ électrique est orienté selon la direction Di et pour une onde incidente dont le champ électrique est orienté selon la direction D2. On vérifie sur ces courbes que les spectres de transmission sont superposés. Comme pour les exemples précédemment décrits, un tel filtre peut être utilisé en réflexion ou en transmission, par exemple dans un système d'imagerie.
Selon une autre variante de l'invention, la membrane peut être structurée pour former une grille à deux dimensions avec des premiers barreaux 32 parallèles à une première direction et des deuxièmes barreaux 34 parallèles à une deuxième direction, les premiers barreaux étant formés par la répétition selon la première période (ΤΊ) d'un premier sous-motif 320 comprenant une pluralité de barreaux. Une telle structure permet d'obtenir un filtre multi-résonant pour une composante du champ électrique parallèle à la direction des premiers barreaux. La figure 8A illustre un exemple d'une telle structure. La structure 30 est obtenue dans cet exemple par la répétition selon deux directions non parallèles d'un premier sous-motif 320 comprenant deux barreaux 321 et 322 par période et d'un deuxième sous-motif 340 comprenant un barreau 34 par période. Dans l'exemple de la figure 8 A, les deux barreaux 321 et 322 du premier sous-motif 320 présentent des sections identiques, par exemple circulaires, et les périodes du premier et du deuxième sous-motif sont sensiblement identiques, le motif principal selon lequel sont organisés les barreaux étant sensiblement carré.
Dans le mode de réalisation illustré à la Figure 8B, le sous-motif 320 comprend deux barreaux 323 et 324 par période mais le barreau 323 a une section plus faible que la section du barreau 324. De manière générale, une variation de section des barreaux de la structure permet de modifier la largeur de la résonance autour de la longueur d'onde de coupure.
Dans d'autres modes de réalisation, le premier sous-motif et/ou le deuxième sous- motif peuvent comprendre plus de deux barreaux. Les barreaux du premier sous-motif et/ou du deuxième sous-motif peuvent être espacés régulièrement dans le sous-motif ou être irrégulièrement espacés et peuvent être de section différente. Ces ajustements permettent d'adapter la réponse spectrale de la membrane nanostructurée pour obtenir des effets optiques spécifiques.
Par exemple, la structure peut être symétrique par rapport à la bissectrice des directions Dl et D2 avec le même nombre de sous-motifs par période, permettant de réaliser un filtre spectral insensible à la polarisation.
Les figures 9A et 9B illustrent des variantes de motifs selon lesquels les barreaux de la membrane peuvent être organisés. Dans l'exemple de la figure 9A, le motif 33 est hexagonal, répété périodiquement selon deux directions Di et D2 avec des périodes Ti et T2. Dans l'exemple de la figure 9B, le motif 33 est complexe, avec une forme générale de parallélogramme, un barreau étant en outre agencé selon une diagonale du parallélogramme, le motif étant là aussi répété périodiquement selon deux directions Dl et D2 avec des périodes Tl et T2. Dans chacun de ces exemples, en plus de la robustesse attendue de la structure du fait d'un motif à deux dimensions, on s'attend à une réponse en transmission du filtre avec une plus grande acceptance angulaire, tout en préservant une insensibilité à la polarisation.
Selon une variante, le motif selon lequel les barreaux sont organisés peut être répété de façon quasi périodique, c'est-à-dire avec une période à variation lente. En effet, il apparaît que la fonction de filtrage est efficace lorsque le nombre de répétitions du motif est au moins égal au facteur de qualité du filtre, défini comme le rapport de la longueur d'onde centrale de filtrage par la largeur spectrale à mi-hauteur. Ainsi typiquement, pour un filtre adapté au filtrage à 3 μιη et une largeur spectrale à mi- hauteur de 0,1 μιη, on cherchera à disposer selon la direction de périodicité au moins trente barreaux (pour un motif simple constitué d'un barreau). Les déposants ont montré que si la période varie lentement, c'est-à-dire d'une valeur inférieure sensiblement à la largeur spectrale à mi-hauteur pour un nombre de barreaux sensiblement égal au facteur de qualité, on pouvait conserver la fonction de filtrage tout en faisant glisser la longueur d'onde de filtrage. Par exemple, la variation de la période peut être une fonction linéaire de la distance, selon la direction de périodicité du motif.
Il est alors possible de réaliser par exemple pour une fonction de spectro-imageur, un filtre structuré selon deux directions. Selon la première direction la répétition quasi- périodique fournit une réponse filtrée dont la longueur d'onde de coupure λ0 varie continûment d'une extrémité à l'autre du filtre, couvrant toute une gamme spectrale. Par exemple un filtre de longueur 10 mm selon cette première direction permet de couvrir toute la bande II de transmission de l'atmosphère (3 à 5 microns) avec un décalage spectral de Δλ/5 sur Q barreaux où Q est le facteur de qualité et Δλ la largeur à mi- hauteur d'un filtre périodique. Selon la seconde direction, une périodicité minimale sensiblement égale à trois fois la longueur d'onde fournit par exemple une transmission non filtrée.
La Figure 10 illustre une matrice multispectrale 50 comprenant plusieurs filtres spectraux 1 juxtaposés. Les filtres 1 peuvent être adaptés pour présenter des réponses spectrales différentes. Par exemple, les filtres 1 peuvent être adaptés pour filtrer plusieurs bandes spectrales juxtaposées. Ceci peut permettre d'analyser une image sur des bandes de longueur d'ondes successives. En comparaison avec une technique antérieure d'empilement de couches minces, les membranes structurées selon l'invention ont une épaisseur quasi indépendante de leurs propriétés optiques. La réponse spectrale des membranes structurées selon l'invention peut en effet être déterminée principalement par la période des barreaux sur la structure suspendue et par le matériau choisi pour former la structure. La structure réalisée étant par ailleurs plus robuste et plus stable optiquement du fait de l'organisation des barreaux sous la forme d'un motif à deux dimensions répété selon deux directions, la fabrication d'une matrice multispectrale 50 d'épaisseur constante avec plusieurs filtres est rendue possible.
Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le filtre spectral et la méthode de réalisation du filtre spectral selon l'invention comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
Filtre spectral adapté pour le filtrage d'une onde incidente par réflexion de ladite onde dans une bande spectrale centrée sur au moins une première longueur d'onde centrale λο donnée comprenant :
(i) un substrat (10) avec un orifice traversant (20),
(ii) une membrane (30) formée en matériau diélectrique, ladite membrane étant suspendue au dessus de l'orifice (20) et étant structurée pour former un ensemble de barreaux organisés sous la forme d'un motif (33) à deux dimensions répété selon deux directions ( Di , D2 ) , la répétition du motif selon au moins une direction étant périodique ou quasi périodique, avec une première période (Ti) inférieure à la longueur d'onde centrale λο.
Filtre spectral selon la revendication 1 , dans lequel ledit matériau diélectrique est choisi parmi le dioxyde de silicium, l'oxyde de manganèse, le carbure de silicium, le nitrure de silicium, le sulfure de zinc, le trifluorure d'yttrium, l'alumine.
Filtre spectral selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la largeur d'un barreau est sensiblement inférieure à λο/2η où n est l'indice du matériau dont est formée la membrane.
Filtre spectral selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les barreaux ont une section de forme sensiblement circulaire, carrée ou rectangulaire.
Filtre spectral selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit motif présente une forme de parallélogramme, ladite membrane étant structurée pour former une grille à deux dimensions avec des premiers barreaux (32) parallèles à une première direction (Di) et des deuxièmes barreaux (34) parallèles à une deuxième direction (D2), lesdits premiers barreaux (32) étant formés par la répétition selon ladite première période (Ti) inférieure à la longueur d'onde centrale λο d'un premier sous-motif (320) comprenant au moins un barreau (32).
6. Filtre spectral selon la revendication 5, dans lequel ledit premier sous-motif (320) comprend une pluralité de barreaux (321, 322, 323, 324) parallèles.
7. Filtre spectral selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la première direction (Di) et la deuxième direction (D2) sont sensiblement perpendiculaires. 8. Filtre spectral selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel les deuxièmes barreaux (34) sont formés par la répétition selon une deuxième période (T2) d'un deuxième sous-motif (340) comprenant au moins un barreau (34) par période.
9. Filtre spectral selon la revendication 8, dans lequel la deuxième période (T2) est inférieure à la longueur d'onde centrale λο.
10. Filtre spectral selon la revendication 9, dans lequel ladite seconde période (T2) est identique à ladite première période (Ti) et lesdits premier et deuxième sous- motifs (320, 340) similaires.
11. Filtre spectral selon la revendication 9, dans lequel ladite seconde période (T2) est différente de ladite première période (Ti).
12. Filtre spectral selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel deux deuxièmes barreaux (34) adjacents sont espacés d'une distance supérieure sensiblement à trois fois la longueur d'onde centrale
13. Filtre spectral selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit motif comprend des barreaux agencés selon au moins trois directions différentes.
14. Matrice multispectrale (40) comprenant une pluralité de filtres spectraux selon l'une des revendications précédentes, adaptés pour filtrer des longueurs d'ondes centrales différentes, les membranes des filtres étant suspendues au-dessus d'un même substrat. 15. Système d'imagerie infrarouge comprenant un détecteur infrarouge et un filtre selon l'une des revendications 1 à 13 ou une matrice multispectrale selon la revendication 14, ledit filtre ou ladite matrice étant utilisée en transmission ou en réflexion.
16. Système d'imagerie selon la revendication 15, comprenant des moyens de rotation dudit filtre ou de ladite matrice, permettant de faire varier l'angle d'incidence de l'onde incidente sur le ou lesdits filtre(s) afin d'obtenir un ou plusieurs filtres accordables en longueur d'onde.
Procédé de fabrication d'un filtre spectral adapté pour le filtrage d'une onde lumineuse incidente par réflexion de ladite onde dans une bande spectrale centrée sur au moins une première longueur d'onde centrale λθ donnée comprenant :
(i) le dépôt d'une couche mince en matériau diélectrique sur une face d'un substrat (10) ;
(ii) la gravure de ladite couche mince en matériau diélectrique pour obtenir une membrane (30) structurée pour former un ensemble de barreaux organisés sous la forme d'un motif à deux dimensions répété selon deux directions, la répétition du motif selon au moins une direction étant périodique, avec une première période (Ti) inférieure à la longueur d'onde centrale λ^;
(iii) la gravure sur une face opposée du substrat d'un orifice (20) traversant le substrat de sorte que la membrane structurée (30) se trouve suspendue au dessus de l'orifice (20).
Procédé de fabrication selon la revendication 17 comprenant en outre :
(iv) l'immersion du filtre ainsi obtenu dans une solution d'un acide dilué permettant une attaque contrôlée du matériau dont sont constitués les barreaux afin d'arrondir et/ou de réduire la section desdits barreaux.
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