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Métamatériaux et conception de composants en optique

Les connaissances développées à l’Institut Fresnel en modélisation des réseaux de diffractions, cristaux photoniques et métamatériaux sont mises à profit pour concevoir de nouvelles fonctions et composants optiques (longueurs d’onde du visible et des télécommunications optiques à 1.55 µm).
Ces travaux sont menés en étroite collaboration avec des équipes du réseau RENATECH (IEF, IEMN) ou l’industriel PSA dans le cadre de programmes financés par l’ANR ou du GDRI Chine-France PHOTONET, pour rassembler l’ensemble de la chaîne de compétences depuis la modélisation en photonique jusqu’à la nano-fabrication, la caractérisation et la valorisation (dépôt de brevets en partenariat avec l’industriel PSA).

composants modélisés et conçus à l'Institut Fresnel ; à gauche, un composant non-réciproque fabriqué et caractérisé à l'IEF ; au centre, une lentille plate en cristal photonique (avec des réseaux anti-réfléchissants aux interfaces) fabriquée à l'IEMN et caractérisée en champ proche à l'ICB ; à droite un filtre optique avec une propriété de transparence fabriqué et caractérisé à l'IEF pour des applications dans automobile (partenaire industriel PSA).

Depuis 2011, ces travaux ont permis de proposer de nouvelles solutions en optique pour concevoir des composants avec de nouvelles fonctions (voir figure 3.4). Un nouveau type de circulateurs compacts en optique guidée a été proposé en utilisant une cavité à miroir de Bragg pour exalter l’effet non-réciproque (isolation de l’ordre de 100 sur une largeur spectrale de 0.05%) [Smi-1].
Une technique semi-analytique de conception de réseaux anti-réfléchissants pour les cristaux photoniques a été proposée [Smi-2], et sa performance a été confirmée avec la fabrication (IEMN) et la caractérisation en champ proche (ICB) d’une lentille plate en cristal photonique augmentée de ces réseaux aux interfaces [Hof-1], avec une efficacité mesurée multipliée par un facteur 4. Un tapis d’invisibilité a été proposé et a été fabriqué à l’IEMN et caractérisé en champs proche à l’ICB.

Enfin, des réseaux de fils d’argents ou de nanoparticules sur substrat de verre ont été proposés pour réaliser des surfaces transparentes avec des propriétés de filtrage [Bru-2]. Une étude paramétrique poussée a permis d’optimiser la transparence de ces surfaces pour réaliser des dispositifs d’affichage compatibles avec les exigences imposées dans le domaine du transport automobile (2 brevets déposés en partenariat avec l’industriel Groupe PSA [brevet-1, brevet-2] ).

Le principe du dispositif et le prototype apparaissent très prometteurs, particulièrement
pour des applications dans des systèmes d’affichage (écrans, vitrage du futur) et de réalité
augmentée dans les véhicules du futur (l’industriel PSA est partenaire du projet Planissimo).
Toute cette étude a été couronnée par une communication dans la lettre innovation
du CNRS (La lettre innovation CNRS, numéro 45, septembre 2018).

Références :

[Smi-1] Wojciech Smigaj, Lubov Magdenko, Javier Romero-Vivas, Sébastien Guenneau, Béatrice Dagens, et al. Compact optical circulator based on a uniformly magnetized ring cavity. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 2012, 10 (1), pp.83.

[Smi-2] Wojciech Smigaj, Boris Gralak. Semianalytical design of antireflection gratings for photonic crystals. Physical Review B, 2012, 85 (3), pp.035114.

[Sch-1] G. Scherrer, M. Hofman, W. Smigaj, M. Kadic, T.-M. Chang, X. Mélique, D. Lippens, O. Vanbésien, B. Cluzel, F. de Fornel, S. Guenneau, and B. Gralak, “Photonic crystal carpet : Manipulating wave fronts in the near field at 1.55μm”, Phys. Rev. B 88, 115110 (2013).

[Hof-1] M. Hofman, G. Scherrer, M. Kadic, X. Mélique, W. Smigaj, B. Cluzel, S. Guenneau, D. Lippens, F. De Fornel, B. Gralak, O. Vanbésien, Dispersion engineering for multifunctional photonic crystal based nanophotonic devices at infrared wavelengths, Journal of Nanomedicine and Nanotechnology, 2013, 4, pp. 1000185.

[Bru-2] Yoann Brûlé, Guillaume Demésy, Anne-Laure Fehrembach, Boris Gralak, Evgueni Popov, et al.. Design of metallic nanoparticle gratings for filtering properties in the visible spectrum. Applied Optics, 2015, 54, pp.010359.

[Ber-1] H. Bertin, Y. Brûlé, G. Magno, T. Lopez, P. Gogol, L. Pradere, B. Gralak, D. Barat,
G. Demésy, and B. Dagens, “Correlated Disordered Plasmonic Nanostructures Arrays for Augmented Reality”, ACS Photonics 5, 002661 (2018).

[brevet 1] D. Barat, S. Feron, B. Dagens, P. Gogol, V. Yam, A.-L. Fehrembach, B. Gralak, G. Demésy, Y. Brûlé, G. Tayeb, E. Popov, “Dispositif d’affichage à composant optique à réflexion sélective et éléments optiques de déflexion et de focalisation, pour un véhicule”. France, No de dépôt : 1652215. (16/03/2016).

[brevet 2] M. Grangier, D. Barat, B. Bavoux, B. Dagens, P. Gogol, V. Yam, Q. Li, R. Megy, A.-L. Fehrembach, B. Gralak, G. Demésy, Y. Brûlé, E. Popov, G. Tayeb, “Dispositif de vision tête haute avec lame à surface réfléchissante”. France, No de dépôt : 1550086 (07/01/2015).