 /rcmo/rcmo_composants
|
RCMO
RCMO
Recherche en matériaux, technologies et composants
de Couches Minces Optiques
Thématique 4 – Composants
Absorbeurs de lumière
On désigne par absorbeurs de lumière des traitements diélectrique/métal qui
peuvent être apposés sur des substrats de nature variées pour réduire de
manière drastique leur coefficient de réflexion ou leur albédo (l’absorption
de ces revêtements peut dépasser 99,9%), et qui présentent par rapport aux
peintures classiquement utilisées des avantages importants en termes de
faible épaisseur et de tenue aux environnements climatiques.
Nous avons réalisé sous contrat SODERN des traitements absorbeurs
monochromatiques (852 nm) destinés au Dispositif Anti Lumière Parasite de
l’horloge atomique PHARAO : il s’agit de baffles en titane sur lesquels nous
avons déposé une alternance de couches Hf métal/HfO2, permettant d’atteindre
une réflexion inférieure à 0,1% sous faible incidence et à 1% en faisceau
ouvert d’incidence inférieure à 45°. Ces traitements ont passé avec succès
l’ensemble des tests de qualification spatiale.
Nous avons également mis à profit les potentialités de notre nouveau
système de contrôle R&T large bande pour réaliser, sous contrat CNES et à notre connaissance
pour la première fois au monde, des traitements absorbeurs très large bande
(R<0,5% sur la gamme 450 nm – 950 nm).
Absorbeur large bande Hf/SiO2
Publications
”Development of a
real-time reflectance and transmittance monitoring system for the
manufacturing of metal-dielectric light absorbers”, Badoil B., Cathelinaud
M., Lemarchand F., Lemarquis F., Lequime M., International Conference for
Space Optics Noordwijk ICSO (2006)
”Ion-Plating
metal-dielectric coatings for light absorbers”, Lemarquis F., Cathelinaud M.,
Loesel J., Cousin B., ICSO Toulouse ICSO (2004)
”Metal-dielectric light
absorbers manufactured by ion plating”, Lemarquis F., Cathelinaud M.,
Advances in Optical Thin Films St Etienne SPIE 5250 (2003)
”Index determination of
opaque and semi transparent metallic films. Application to light absorbers”,
Cathelinaud M., Lemarquis F., Amra C., Applied Optics 41 2546-2554 (2002)
Filtres linéairement variables
Les filtres linéaires variables sont des composants de filtrage de type
passe-bande pour lesquels la longueur d’onde de centrage du filtre évolue de
manière linéaire le long d’une direction privilégiée. Nous avons entrepris en
2003 le développement de filtres linéairement variables de type 2D,
c’est-à-dire pour lesquels la longueur d’onde centrale reste parfaitement
constante dans la direction perpendiculaire au gradient. Associé à une matrice de photo-détecteurs,
un tel composant permet de réaliser un spectro-imageur de très faible
encombrement. Ces développements ont bénéficié du soutien du LESIA.
Spectres de transmission d’un filtre linéairement variable
Filtre variable à lignes iso-lambda rectilignes
Publications
”Wedge filter imaging
spectrometer”, Sémery A., Reess J.-M., Lemarquis F., Drossart P., Laubier D.,
Bernardi P., International Conference for Space Optics Noordwijk ICSO (2006)
”Manufacturing of linear
variable filters with straight iso-thickness lines”, Abel-Tiberini L.,
Lemarquis F., Marchand G., Roussel L., Albrand G., Lequime M., Advances in
Optical Thin Films II Jena SPIE 5963 (2005)
Filtres hybrides
Les filtres dits hybrides associent un réflecteur distribué de type réseau
de Bragg et un miroir diélectrique classique constitué par une alternance de
couches quart d’onde haut et bas indice : la qualité du filtre est tributaire
de la réalisation fine d’un accord de phase entre ces deux structures
réfléchissantes. Nous avons entrepris en 2003 une validation expérimentale de
ce concept dont nous avions auparavant mené l’étude théorique, et pour ce
faire, nous avons utilisé une fibre optique monomode dans laquelle avait été
inscrit un réflecteur de Bragg : grâce à un contrôle in situ de l’épaisseur
optique de l’ensemble des couches déposées à l’extrémité de cette fibre
monomode, nous avons pu réaliser un filtre bande étroite centré à 1550 nm, de
grande finesse (80 pm) et de transmission maximale approchant les 70%.
Profil d’indice d’un filtre hybride
Transmission spectrale d’un filtre hybride FBG/DM à 9 couches
Publications
”Ultranarrow bandpass
hybrid filter with wide rejection band”, Lumeau J., Cathelinaud M.,
Bittebierre J., Lequime M., Applied Optics 45 1328-1332 (2006)
”Narrow bandpass hybrid
filter with wide rejection band”, Lumeau J., Cathelinaud M., Bittebierre J.,
Lequime M., Optical Interference Coatings Conference Tucson OSA (2004)
Filtres à cavités substrats
Un filtre à cavité-substrat ou Solid-Spaced Etalon (SSE) est
constituée par une lame fine transparente de grande qualité (épaisseur
comprise entre 0,02 et 2 mm,
très faible rugosité, parallélisme inférieur à la seconde d’arc) dont les
deux faces sont recouvertes par des miroirs diélectriques à faible nombre de
couches (typiquement moins d’une dizaine) : la finesse de la bande est donc
majoritairement fournie par l’ordre élevé d’interférences dans la cavité,
tandis que la réjection en dehors de la bande est elle basée sur
l’association en série de 2 ou 3 lames d’épaisseurs optiques différentes (par
exemple, par adhérence moléculaire) et sur le phénomène d’auto-filtrage
auquel cette mise en série donne accès.
Un choix approprié des matériaux constitutifs de ces lames permet même de
réaliser des filtres accordables de manière discrète sur un large domaine
spectral (saut de coïncidences généré par une excursion en température). Une
démonstration expérimentale de l’ensemble de ces potentialités (assemblage
par adhérence moléculaire, niveau de réjection approchant les -30 dB,
accordabilité discrète sur la
bande C) a été obtenue par notre équipe entre 2002 et 2004,
ce qui nous place au tout premier plan mondial dans ce domaine.
Profil spectral d’un filtre DWDM 2 cavités (-0,08 dB / 0,47
nm)
Transmission
spectrale d’un interleaver 50/200 GHz à 3 cavités
(-0,1 dB / 0,26 nm / -45 dB)
Publications
”High
accuracy measurement of the residual air gap thickness of thin-film and
solid-spaced filters assembled by optical contacting”, Floriot J., Lemarchand
F., Abel-Tiberini L., Lequime M., Optics Communications 260 324-328 (2006)
”Solid Spaced Filters: an
alternative for narrow bandpass applications”, Floriot J., Lemarchand F.,
Albrand G., Lequime M., Applied Optics 45 1349-1355 (2006)
”Double Coherent
Solid-spaced Filters for very narrow-bandpass filtering applications”,
Floriot J., Lemarchand F., Lequime M., Optics Communications 222 101-106
(2003)
”Cascaded solid-spaced
filters for DWDM applications”, Floriot J., Lemarchand F., Lequime M.,
Advances in Optical Thin Films 384-392 St Etienne (2003)
Filtres accordables
Entre 2000 et 2004, une part importante des activités de notre équipe a
été consacrée à l’étude de filtres bande étroite accordables, c’est-à-dire dont
la longueur d’onde centrale de transmission peut être modifiée par
l’application d’une tension de commande. L’obtention d’une telle agilité
spectrale est en effet de première importance dans le domaine des
télécommunications optiques (en particulier pour les réseaux de troisième
génération de type métropolitain), mais les secteurs d’application potentiels
d’une telle technologie sont extrêmement diversifiés (habitat, protection
oculaire, …).
Nos recherches nous ont conduit à identifier deux modes possibles
d’action, à savoir :
• un mode direct, qui
utilise une modification directe de l’épaisseur optique des cavités du filtre
interférentiel à bande étroite, en particulier sous l’action d’un champ
électrique (effets piézoélectrique et électro-optique),
• un mode indirect, dans
lequel cette même modification de l’épaisseur optique est induite par une
déformation mécanique du substrat de ce filtre (qui peut être obtenue à
nouveau sous l’action d’un champ électrique [substrat piézoélectrique], mais
aussi par application directe d’une contrainte transverse).
Nous avons également analysé d’un point de vue théorique la relation qui
existe entre la variation relative de la longueur d’onde centrale d’un filtre
à bande étroite et la variation relative de l’épaisseur optique des cavités
résonantes qui le constituent. Nous avons montré que cette relation était de
la forme :
où k est un facteur numérique
inférieur à 1 dont la valeur est fonction de l’ordre d’interférences dans la
cavité et des déphasages à la réflexion sur les miroirs qui la délimitent.
Dépôt de couches minces de Ta2O5 piézoélectriques
L’objectif de cette action de recherche consistait à obtenir des couches
minces actives, c’est-à-dire utilisables dans le mode direct d’accordabilité
défini plus haut. Le recours à la piézoélectricité nous a paru le plus simple
de mise en œuvre (les effets optiques obtenus ne dépendent pas de l’état de
polarisation de la lumière), tandis que le pentoxyde de tantale constituait
un matériau dont les conditions classiques de dépôt étaient bien maîtrisées
et dont les propriétés optiques étaient en accord avec celles exigées dans le
multiplexage dense en longueur d’onde (DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing).
Nous avons donc montré que des couches minces de Ta2O5 de type structuré
(c’est-à-dire où coexistent des phases organisées de type hexagonal et
orthorhombique) pouvaient être obtenues en technologie EBD (Electron Beam Deposition) lorsque la
température du substrat en cours de dépôt était supérieure à 450°C, mais que
l’activité piézoélectrique recherchée était conditionnée par la présence
majoritaire d’une phase orthorhombique orientée [2 0 0]. L’obtention d’une
telle phase nécessite que le substrat soit porté à une température proche de
620°C, et dans ce cas la piézoélectricité nette de la couche avoisine les 10
pm/V.
L’identification d’un tel mécanisme a été rendue possible par l’emploi
simultané d’un diffractomètre à rayons X (collaboration avec le laboratoire
TECSEN), d’un microscope électronique à balayage (collaboration avec le
laboratoire CP2M) et d’un interféromètre à fibre optique de type EFPI (Extrinsic Fabry Perot Interferometer)
développé dans notre équipe et dont la résolution en déplacement était
meilleure que le picomètre.
Les Photographies placées ci-après permettent de mieux visualiser la
structure microscopique d’une couche piézoélectrique déposée sur un substrat
de silice à 620°C et l’allure du spectre de diffraction X associé à cette
phase orthorhombique à orientation préférentielle [2 0 0].
Couche Ta2O5 piézoélectrique – Observation MEB
Couche Ta2O5 piézoélectrique – Spectre de diffraction X
Malgré ces résultats réellement concluants et entièrement nouveaux, la
réalisation, à l’aide de ce type de technologie, d’un filtre à bande étroite
accordable reste à l’heure actuelle problématique, tant il est vrai :
• que le déplacement de sa
longueur d’onde de centrage ne saurait excéder 0,12 nm (pour une tension de
pilotage égale à la tension de claquage),
• et que les taux de diffusion
mesurés sur ce type de couches poly-cristallines sont 250 fois plus
importants que les niveaux habituellement obtenus en technologie IAD et
nécessaires à la réalisation de filtres à bande étroite de hautes
performances.
Accordabilité par contrainte mécanique transverse
Comme nous l’avons indiqué plus haut, un mode indirect de pilotage de cette
accordabilité peut être envisagé : il consiste à agir sur les dimensions
transverses du substrat d’un filtre à bande étroite et à transférer une
partie de cette déformation au spacer du filtre interférentiel par simple
application des lois de l’élasticité.
Supposons pour fixer les idées que le substrat soit de section carrée et
soumis à une contrainte transverse unidirectionnelle comme indiqué sur le
schéma de principe ci-après.
Application d’une contrainte transverse uniforme sur un
filtre DWDM
Sous l’action de la force F, le substrat se contracte mécaniquement dans
la direction z tandis qu’il se dilate légèrement dans la direction y, en
accord avec les lois de l’élasticité (coefficient de Poisson). Ces déformations se
transmettent à l’empilement multicouches, et induisent à la fois une augmentation de
l’épaisseur e de la cavité (effet prépondérant) et une légère diminution de
son indice de réfraction par effet élasto-optique (effet annexe).
Nous avons effectué une modélisation théorique de cet effet en assimilant
l’empilement alterné de couches haut et bas indice que constitue le filtre
interférentiel à une couche homogène unique d’indice équivalent neff, et établi, pour le décalage spectral de la longueur
d’onde centrale d’un filtre bande étroite, la loi de comportement linéaire suivante
(2 et 3 représentant les deux états rectilignes de polarisation de la
lumière) :
où nf (respectivement ns) désigne le coefficient de Poisson de cette couche
homogène unique (respectivement du substrat), p12 et p11 les coefficients
décrivant son comportement élasto-optique, F la force appliquée et ab la
surface latérale du substrat.
Nous avons vérifié expérimentalement la validité d’une telle approche et
montré que la longueur d’onde centrale d’un filtre DWDM standard était effectivement
modifiée par l’application sur son substrat d’une contrainte transverse, la
sensibilité obtenue étant de l’ordre de 4,2 pm/N, le décalage mesuré
approchant le nanomètre lorsque la contrainte appliquée atteignait 170 MPa
(ce qui correspond à une déformation du substrat de 2,5 ‰ et à environ 20% de
sa contrainte en rupture).
Modélisation du comportement thermique d’un filtre bande
étroite
En utilisant la même approche que celle présentée au paragraphe précédent,
il est possible de modéliser l’effet d’une variation de température sur la
valeur de la longueur d’onde centrale d’un filtre à bande étroite. La
relation obtenue est la suivante :
où b
(respectivement a) désigne le coefficient de dilatation thermique de la
couche homogène unique équivalente au filtre (respectivement du substrat). Cette
formule permet de retrouver les résultats établis par Takahashi en 1995.
Filtres SSE à accordabilité discrète
Si l’on dispose en série deux filtres à cavité-substrat dont les fonctions
de transmission présentent une coïncidence unique sur le domaine spectral
associé à la bande C des télécommunications optiques, et si les épaisseurs
optiques des deux spacers présentent des dépendances thermiques différentes,
alors une modification légère de la température va induire un décalage relatif
des deux peignes de transmissions associés à ces deux filtres et donc un
changement de position de la coïncidence. C’est ce mécanisme d’accordabilité
par saut de coïncidence qui est représente sur l’animation ci-après.
Principe de l’accordabilité par saut de coïncidence
Une démonstration expérimentale de ce concept a été obtenue en 2004 grâce
à l’association d’une cavité en silice de 100 microns d’épaisseur (miroirs
M5) et d’une cavité en silicium de 60 microns d’épaisseur (miroirs M4). L’évolution
de la réponse spectrale du filtre en fonction de la température est
représentée sur l’animation ci-dessous.
Accordabilité par saut de coïncidence – Démonstration expérimentale
Publications
”Tunable Thin Film
Filters”, Lequime M., Optical Interference Coatings Conference Tucson (2004)
”Tunable double-cavity
solid-spaced bandpass filter”, Floriot J., Lemarchand F., Lequime M., Optics
Express 12 6289-6298 (2004)
”Tunable Thin-Film
Filters: Review and Perspectives”, Lequime M., SPIE Advances in Optical Thin Films 302-311 Saint-Etienne (2003)
”Substrate strain induced
tunability of dense wavelength division multiplexing thin film filters”,
Parmentier R., Lequime M., Optics Letters 28 728-730 (2003)
”Towards Tunable
Thin-Film Filters for Wavelength Division Multiplexing Applications”, Lequime
M., Parmentier R., Lemarchand F., Amra C., Applied Optics 41 3277-3284 (2002)
”Piezoelectric Tantalum
Pentoxide Studied for Optical Tunable Applications”, Parmentier R.,
Lemarchand F., Cathelinaud M., Lequime M., Amra C., Labat S., Bozzo S.,
Bocquet F., Charai A., Thomas O., Dominici C., Applied Optics 41 3270-3276 (2002)
Permanents : Cihan Koc , Frederic Lemarquis , Michel Lequime , Fabien Lemarchand , Laetitia Abel , Dragan Stojcevski , Christophe Hecquet ,
Doctorants : Marie Duchene , Marie-maude Denus-baillargeon , Stephane Sorce , Lihong Gao , |
