Filtres Nano-Structurés

Les filtres nano-structurés sont formés de la juxtaposition de nano-résonateurs optiques qui permettent de rendre maximale leur transmission à la résonance et très faible ailleurs. Ils présentent principalement deux avantages intrinsèques :

  • une très grande compacité (faible volume, faible masse) par rapport à leurs homologues conventionnels
  • une longueur de filtrage dépendant principalement de la structuration latérale

Notre équipe a étudié plusieurs types de filtres :

Filtres membranaires métalliques

Porto et al (Phys. Rev. Lett.  83 2845 (1999)) ont prédit qu’une membrane métallique percée de fentes présenterait, grâce aux résonances plasmoniques présentent aux interfaces métal-diélectrique, une transmission quasi-parfaite à la résonance si les milieux de part et d'autre de la membrane présentent le même indice optique. Nous avons réalisé la première démonstration expérimentale de cet effet, validant et précisant cette prédiction.

La résonance de type Fano (zéro au voisinage du maximum de transmission) met en évidence l’interaction entre les résonances plasmoniques localisées dans les fentes et celles délocalisées sur les surfaces inférieures et supérieures de la membrane.

Filtre_Metal_Structure.png Filtre_Metal_Spectre.png
S. Collin et al. Phys. Rev. Lett. 104 027401 (2010)

Une technologie spécifique a été développée pour la réalisation de ces membranes : G. Vincent et al. J. Vac. Sci. Technol. B26 1852 (2008).

Filtres membranaires métallo-diélectriques

Résonance GMR :

Les filtres de type GMR (Guided Mode Resonance) se composent d’un guide d’onde (film de diélectrique entouré d’air), d’un réseau diélectrique sur une de ces faces et d’un substrat. La résonance est alors un mode mixte entre les modes du réseau et ceux du guide.

La structure étudiée dans notre équipe présente deux améliorations notables :

  • Un film métallique épais (i.e. opaque) qui favorise une très faible transmission hors résonance,
  • Une structure membranaire qui permet d’atteindre des valeurs élevées de la transmissions à la résonance.

Filtres_GMR_Structure.png    Filtres_GMR_Spectre.png
E. Sakat et al. Opt. Lett. 36 3054 (2011)
E. Sakat et al. Opt. Exp. 20 13082 (2012)

La réjection du filtre est améliorée par rapport au filtre métallique. Ce type de filtre présente un dépendance marquée à l’angle d’incidence : décalage spectral (~23nm par degré) et dédoublement du pic de résonance.

Résonance DMG :

En plaçant sur la face inférieure du filtre, un second réseau métallique aligné sur le premier, on introduit un mécanisme d’extinction parfaite (voir T. Estruch et al. Opt. Lett. 36 3160 (2011) et la thèse de Thomas Estruch pour plus de détails).

Filtres_DMG_Structure.png    Filtres_DMG_Spectre.png
 

La réjection du filtre est excellente sur une large bande spectrale.
Ce type de filtre présente comme pour le GMR une dépendance marquée de la résonance à l’angle d’incidence et un dédoublement du pic de résonance.

Résonance DMG bi-atome :

Une plus faible dépendance angulaire est obtenue par l’introduction d’un deuxième motif dans la période de structuration. En effet il permet de régler l’ouverture du gap vu à incidence normale entre les relations de dispersion des ordres -1 et +1. Pour la valeur optimale de ce gap, les relations de dispersion sont plates sur une large plage angulaire.

Filtres_Bi-atome_Relation_Dispersion.png     Filtres_Bi-atome_Depandance_Angulaire.png
E. Sakat et al. Opt. Lett. 38 425 (2013)
Plus de détails dans la thèse d’Émilie Sakat.

Filtres sur substrat

Pour améliorer la solidité de nos filtres et faciliter leur procédé de fabrication nous avons développé des filtres sur substrat. Ce dernier point est particulièrement important pour les filtres structurés sur les deux faces.
La présence du substrat modifie principalement l’indice optique à deux endroits clef du dispositif : les fentes du réseau inférieur et le milieu situé sous le filtre pour la propagation en champ lointain. Cette asymétrie optique est compensée par une asymétrie géométrique des composants : des fentes plus larges dans le réseau inférieur et une couche d’adaptation entre le filtre et le substrat.

Filtre_Sur_Substrat_Structure.png    Filtre_Sur_Substrat_Spectre.png
C. Tuambilangana et al. Opt. Exp. 23 31672 (2015)

Le filtre membranaire A présente le même spectre que le filtre sur substrat C’.
Plus de détails dans la thèse de Christèle Tuambilangana.

Applications :

Filtres compacts :

En réduisant très fortement la quantité de matière par rapport aux filtres conventionnels, les filtres nano-structurés se prêtent particulièrement bien aux applications demandant une forte compacité, un faible volume et/ou une faible masse.

Matrice de filtres :

Dans une assez large bande spectrale, la longueur d’onde de filtrage des filtres nano-structurés peut être ajustée en ne modifiant que les paramètres de la (ou les) structuration(s) latérales. Il est alors possible de réaliser dans la même lithographie des filtres à différentes longueurs d’onde. Il est également possible de placer ces filtres très près les uns des autres pour faire une mosaïque dense de filtres. Enfin le nombre de filtres différents constituant la matrice ne modifie ni la durée ni la complexité de son procédé de fabrication.

Associée à leur très faible masse, cette propriété les distingue très nettement des autres filtres infrarouges, en particulier des filtres de type Fabry-Pérot ou multicouches. Nous concevons, fabriquons et caractérisons des matrices de filtres pour la réalisation de caméras multi-spectrales rapides de type snapshot (les informations spatiales et spectrales sont contenues dans une image unique).

Voir Applications à l’imagerie infrarouge pour plus de détails.