FR3140451A1 - Optical substrate with integrated antennas and spectrometer comprising it - Google Patents
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Abstract
Substrat optique à antennes intégrées et spectromètre le comprenant L’invention concerne un substrat optique (1) à guide d’ondes (2) intégré, au moins une antenne (330) étant formée dans le substrat optique (1), l’au moins une antenne étant formée par plusieurs nano-trous (341, 342, 343), au moins l’un des nano-trous (341, 342, 343) différant des autres nano-trous (341, 342, 343) par au moins l’un parmi son diamètre, et son espacement du guide d’ondes (2) selon la direction de hauteur du substrat optique (1) et son écartement à un nano-trou adjacent de la même antenne selon la direction longitudinale du substrat optique (1). L’invention concerne également un spectromètre (S) intégrant un tel substrat optique (1). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 8 Optical substrate with integrated antennas and spectrometer comprising it The invention relates to an optical substrate (1) with an integrated waveguide (2), at least one antenna (330) being formed in the optical substrate (1), the at least one antenna being formed by several nano-holes (341, 342, 343), at least one of the nano-holes (341, 342, 343) differing from the other nano-holes (341, 342, 343) by at least one of its diameter, and its spacing of the waveguide (2) in the height direction of the optical substrate (1) and its spacing to an adjacent nano-hole of the same antenna in the longitudinal direction of the optical substrate (1). The invention also relates to a spectrometer (S) integrating such an optical substrate (1). Figure to be published with the abstract: Figure 8
Description
La présente invention concerne le domaine de l’optique intégrée, et porte plus particulièrement sur un substrat optique à antennes intégrées et sur un spectromètre le comprenant.The present invention relates to the field of integrated optics, and more particularly to an optical substrate with integrated antennas and to a spectrometer comprising it.
Dans le domaine de l’optique intégrée, lorsque l'on souhaite envoyer de la lumière guidée dans une structure guidée planaire, enterrée ou en surface d’un composant optique, vers un détecteur optique, notamment de type infrarouge (IR) ou caméra, à l’extérieur du composant optique, dans une direction proche de la normale à la surface du composant optique, la lumière va diverger naturellement depuis le point d'émission jusqu'au point de détection. Si plusieurs sources distinctes sont formées à la surface du composant optique, et que l'on souhaite associer chaque source à un pixel ou groupe de pixels différent du détecteur optique, le signal provenant de ces sources distinctes va s'étaler sur plusieurs pixels. Ceci induit une superposition sur un pixel (ou groupe de pixels) des signaux issus des différentes sources au niveau du détecteur optique, créant de la diaphonie et réduisant le rapport signal sur bruit. Cette large divergence angulaire est due aux points sources, considérés comme ponctuels et donc très divergents, et à la zone active dans les détecteurs optiques (notamment de type IR), qui peut être à plusieurs centaines de micromètres en dessous de la surface physique du détecteur optique.In the field of integrated optics, when we want to send guided light in a planar guided structure, buried or on the surface of an optical component, towards an optical detector, in particular of the infrared (IR) type or camera, outside the optical component, in a direction close to the normal to the surface of the optical component, the light will naturally diverge from the emission point to the detection point. If several distinct sources are formed on the surface of the optical component, and we want to associate each source with a different pixel or group of pixels of the optical detector, the signal coming from these distinct sources will spread over several pixels. This induces a superposition on a pixel (or group of pixels) of the signals coming from the different sources at the optical detector, creating crosstalk and reducing the signal-to-noise ratio. This large angular divergence is due to the source points, considered as punctate and therefore very divergent, and to the active zone in optical detectors (notably of the IR type), which can be several hundred micrometers below the physical surface of the optical detector.
Une première solution pour surmonter ces inconvénients est d'espacer les points sources. Toutefois, la densité d'informations qui peut être traitée est ainsi réduite.A first solution to overcome these drawbacks is to space the source points. However, the density of information that can be processed is thus reduced.
Une autre solution est d’agir sur l'extraction de lumière du guide d'ondes vers le détecteur optique. On peut ainsi utiliser par exemple un réseau de Bragg (alternance physique de zones à fort/faible indice de réfraction) placé en surface dans le guide d’ondes. Plus l'interaction entre le mode guidé et le réseau de Bragg est importante, plus l'intensité du signal extraite sera grande. Ce principe est largement connu en optique intégrée. La plupart des solutions pour améliorer la directivité du flux rayonné sont ainsi basées sur des antennes bidimensionnelles de type réseaux de surface, par de la lithographie à faisceau d'électrons, un faisceau d'ions focalisé, ou de la polymérisation. Les publications suivantes divulguent de telles solutions :Another solution is to act on the extraction of light from the waveguide to the optical detector. For example, a Bragg grating (physical alternation of high/low refractive index zones) placed on the surface of the waveguide can be used. The greater the interaction between the guided mode and the Bragg grating, the greater the intensity of the extracted signal. This principle is widely known in integrated optics. Most solutions for improving the directivity of the radiated flux are thus based on two-dimensional antennas of the surface grating type, by electron beam lithography, a focused ion beam, or polymerization. The following publications disclose such solutions:
- Réseau de nanoantennes optiques YagiUda 3D, (3D optical YagiUda nanoantenna array), Dregely D. et al., Nat. Communications 2, 267 (2011),- 3D optical YagiUda nanoantenna array, Dregely D. et al., Nat. Communications 2, 267 (2011),
- Nanoantennes hybrides pour une amélioration d'émission directionnelle (Hybrid nanoantennas for directional emission enhancement), Usak, E. et al., Appl. Phys. Lett., 105, 221109 (2014),- Hybrid nanoantennas for directional emission enhancement, Usak, E. et al., Appl. Phys. Lett., 105, 221109 (2014),
- Antennes diélectriques - une plateforme appropriée pour commander une émission dipolaire magnétique (Dielectric antennas - a suitable platform for controlling magnetic dipolar emission), Schmidt M. K. et al., Opt. Express 20, 13636-13650 (2012),- Dielectric antennas - a suitable platform for controlling magnetic dipolar emission, Schmidt M. K. et al., Opt. Express 20, 13636-13650 (2012),
- Routeur de longueurs d'ondes à antennes totalement diélectriques avec diffusion bidirectionnelle de la lumière visible (All-dielectric antenna wavelength router with bidirectionnal scattering of visible light), Li, J. et al., Nano Lett, 4396-4403 (2016),- All-dielectric antenna wavelength router with bidirectional scattering of visible light, Li, J. et al., Nano Lett, 4396-4403 (2016),
- Spectromètre électro-optique à transformée de Fourier à ondes stationnaires entièrement intégré en niobate de lithium (All Integrated Lithium Niobate Standing Wave Fourier Transform Electro-Optic Spectrometer), Loridat & al., Journal of Lightwave Technology, Volume: 36, Issue: 20, Oct.15 (2018).- All Integrated Lithium Niobate Standing Wave Fourier Transform Electro-Optic Spectrometer, Loridat & al., Journal of Lightwave Technology, Volume: 36, Issue: 20, Oct.15 (2018).
Il existe des solutions tridimensionnelles de type monoantenne, assimilables à des microlentilles en surface relativement complexes à mettre en œuvre, comme décrit dans "Lentilles nanophotoniques 3D hautement directives et large bande" (Broadband highly directive 3D nanophotonic lenses), Johlin, E. et al., Nature Communications 9 (2018),There are three-dimensional solutions of the single-antenna type, similar to relatively complex surface microlenses to implement, as described in "Broadband highly directive 3D nanophotonic lenses", Johlin, E. et al., Nature Communications 9 (2018),
- Amélioration du diagramme de rayonnement vertical émis par des centres de diffusion à nanosillons multiples servant d'antenne pour les futurs spectromètres à transformée de Fourier en optique intégrée dans le proche IR (Improving the vertical radiation pattern issued from multiple nano-groove scattering centers acting as an antenna for future integrated optics Fourier transform spectrometers in the near IR), Morand & al., Opt Lett. 2019, Feb 1;44(3):542-545.- Improving the vertical radiation pattern emitted from multiple nano-groove scattering centers acting as an antenna for future integrated optics Fourier transform spectrometers in the near IR, Morand & al., Opt Lett. 2019, Feb 1;44(3):542-545.
Le réseau de Bragg selon l’état de la technique n’est cependant réalisé que de manière planaire, en surface. Il est alors seulement possible de contrôler la période ou le rapport cyclique des périodes pour contrôler le pouvoir d'extraction du réseau.The Bragg grating according to the state of the art, however, is only implemented in a planar manner, on the surface. It is then only possible to control the period or the duty cycle of the periods in order to control the extraction power of the grating.
Une autre possibilité de fabrication du réseau de Bragg est de réaliser des nano "trous" d'air (qui s’apparentent à des cylindres d’air) périodiquement espacés, dans le matériau constituant le composant. Une telle technique de formation de nano-trous est par exemple décrite dans les publications suivantes :Another possibility for manufacturing the Bragg grating is to make periodically spaced nano "air holes" (which are similar to air cylinders) in the material constituting the component. Such a technique for forming nano-holes is for example described in the following publications:
- Usinage de nanocanaux à haut facteur de forme à l'aide de faisceaux de Bessel femtosecondes monocoup (High aspect ratio nanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams), Bhuyan & al., Appl. Phys. Lett. 97, 081102 (2010),- High aspect ratio nanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams, Bhuyan et al., Appl. Phys. Lett. 97, 081102 (2010),
- Nanostructuration à haut facteur de forme dans le volume de la silice fondue à l'aide de faisceaux laser ultrarapides de Bessel contrôlés par chirp (Single shot high aspect ratio bulk nanostructuring of fused silica using chirp controlled ultrafast laser Bessel beams), Bhuyan & al., Appl. Phys. Lett. 104, 0201107 (2014),- Single shot high aspect ratio bulk nanostructuring of fused silica using chirp controlled ultrafast laser Bessel beams, Bhuyan et al., Appl. Phys. Lett. 104, 0201107 (2014),
- Dynamique spatio-temporelle dans la structuration à l'échelle nanométrique par laser ultrarapide de Bessel non diffractif dans le volume (Spatio-temporal dynamics in nondiffractive Bessel ultrafast laser nanoscale volume structuring), Velpula & al., Las. Photon Rev. 2, 230 (2016),- Spatio-temporal dynamics in nondiffractive Bessel ultrafast laser nanoscale volume structuring, Velpula & al., Las. Photon Rev. 2, 230 (2016),
- Spectro-interféromètre dans le proche infrarouge utilisant des guides d'ondes et des nano-diffuseurs intégrés, fabriqués par photo-inscription laser dans le GLS, (Near-infrared spectro-interferometer using femtosecond laser written GLS embedded waveguides and nano-scatterers), Martin & al., Optics Express, Vol. 25, Issue 7, pp. 8386-8397 (2017).- Near-infrared spectro-interferometer using femtosecond laser written GLS embedded waveguides and nano-scatterers, Martin et al., Optics Express, Vol. 25, Issue 7, pp. 8386-8397 (2017).
Selon ces techniques, une procédure d’irradiation non diffractive est utilisée pour photo-inscrire des nano-trous dans le substrat optique comprenant un guide d’ondes en utilisant des faisceaux de Bessel focalisés qui génèrent localement dans le substrat optique une concentration d’énergie suffisante pour créer des micro-explosions unidimensionnelles localisées, le relâchement latéral de pression créant des cavités axialement uniformes unidimensionnelles, pour créer des nano-trous (parfois appelés nano-trous de Bessel) uniformes étendus. Il est possible selon cette technique d’utiliser deux lasers qui se font face avec le substrat optique au milieu, ou un seul laser visant le substrat.In these techniques, a non-diffractive irradiation procedure is used to photo-write nanoholes in the optical substrate comprising a waveguide using focused Bessel beams that locally generate in the optical substrate a sufficient concentration of energy to create localized one-dimensional micro-explosions, the lateral pressure release creating axially uniform one-dimensional cavities, to create uniform extended nanoholes (sometimes called nano-Bessel holes). It is possible in this technique to use two lasers facing each other with the optical substrate in the middle, or a single laser aimed at the substrate.
L'intérêt principal de l'inscription laser pour la fabrication de nano-trous allongés est qu’il est possible de couvrir une longueur d'échantillonnage de 1 cm, sans remplacement de masque, en un temps très court (quelques secondes). De plus, la position du trou peut être ajustée par rapport au guide d'ondes. La géométrie et la longueur des nano-trous peuvent être contrôlées “à volonté”, mais avec un compromis entre longueur et diamètre.The main interest of laser inscription for the fabrication of elongated nanoholes is that it is possible to cover a sampling length of 1 cm, without mask replacement, in a very short time (a few seconds). In addition, the position of the hole can be adjusted relative to the waveguide. The geometry and length of the nanoholes can be controlled “at will”, but with a trade-off between length and diameter.
La fabrication de nano-trous d'air par des techniques de photo-inscription laser permet par exemple de réaliser ce type de réseau planaire. De même que pour les antennes bidimensionnelles décrites plus haut, uniquement la période ou le rapport cyclique des périodes peuvent être modifiés pour contrôler le pouvoir d'extraction du réseau.The fabrication of nano-air holes by laser photo-inscription techniques, for example, makes it possible to produce this type of planar network. As with the two-dimensional antennas described above, only the period or the duty cycle of the periods can be modified to control the extraction power of the network.
La publication Spectro-interféromètre 3D 3T inscrit par laser : étude et optimisation de la nano-antenne inscrite par laser (Laser written 3D 3T spectro-interferometer : Study and optimisation of the laser written nano-antenna), Bonduelle & al., SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, Dec 2020, France. pp.82, <10.1117/12.2562179>, décrit l’utilisation de nano-trous pour l’extraction du flux optique dans un guide d’ondes.The publication Laser written 3D 3T spectro-interferometer: Study and optimization of the laser written nano-antenna, Bonduelle & al., SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, Dec 2020, France. pp.82, <10.1117/12.2562179>, describes the use of nanoholes for optical flow extraction in a waveguide.
La présente invention vise à optimiser l'extraction d'un flux optique confiné dans un guide d'ondes intégré dans un substrat optique afin de le diriger vers un détecteur situé en surface du substrat optique intégrant le guide d’ondes, en utilisant des nano-antennes tridimensionnelles de type nano-trous d’air formés par photo-inscription laser.The present invention aims to optimize the extraction of an optical flow confined in a waveguide integrated in an optical substrate in order to direct it towards a detector located on the surface of the optical substrate integrating the waveguide, using three-dimensional nano-antennas of the nano-air hole type formed by laser photo-inscription.
Au contraire des technologies lithographiques classiques, qui sont des techniques surfaciques, il est en effet possible avec la photo-inscription laser décrite plus haut de réaliser un réseau de Bragg à n'importe quelle profondeur dans un substrat optique intégrant un guide d’ondes, permettant notamment de protéger les structures diffractantes ainsi que le guide d'ondes des effets de surface (rayures, poussières...). Il est également envisagé selon la présente invention de réaliser des nano-structures diffractantes par d’autres techniques, par exemple dans des résines déposées au-dessus du guide d'ondes : une résine photo-sensible est déposée sur un guide d’ondes en surface, puis est exposée avec un laser, par exemple un laser UV (plus simple que les lasers femto-secondes de la technique de photo-inscription laser), puis dégradée dans les endroits exposés, lesquels sont ensuite éliminés avec un solvant pour former également des nano-trous d'air.Unlike conventional lithographic technologies, which are surface techniques, it is indeed possible with the laser photo-inscription described above to produce a Bragg grating at any depth in an optical substrate integrating a waveguide, making it possible in particular to protect the diffracting structures as well as the waveguide from surface effects (scratches, dust, etc.). It is also envisaged according to the present invention to produce diffracting nano-structures by other techniques, for example in resins deposited above the waveguide: a photosensitive resin is deposited on a surface waveguide, then exposed with a laser, for example a UV laser (simpler than the femtosecond lasers of the laser photo-inscription technique), then degraded in the exposed areas, which are then eliminated with a solvent to also form nano-air holes.
L’approche selon la présente invention utilisant la photo-inscription laser ou d’autres techniques équivalentes pour réaliser des nanoantennes (de diamètre typique de 100 nm) en trois dimensions est plus versatile que l’état de la technique. Le résultat est assimilable à des empilements tridimensionnels qui peuvent être réalisés par les outils Microlight 3D ® ou Nanoscribe ® dans des polymères, par absorption à deux photons par exemple.The approach according to the present invention using laser photo-inscription or other equivalent techniques to produce nanoantennas (typically 100 nm in diameter) in three dimensions is more versatile than the state of the art. The result is similar to three-dimensional stacks that can be produced by Microlight 3D ® or Nanoscribe ® tools in polymers, for example by two-photon absorption.
Les nanoantennes sont ainsi formées directement dans le matériau dans lequel se trouve le guide d'ondes, sans nécessiter une étape supplémentaire de dépôt de résine comme dans le cas de Microlight 3D ®.The nanoantennas are thus formed directly in the material in which the waveguide is located, without requiring an additional resin deposition step as in the case of Microlight 3D ®.
L’invention donne accès à un degré de liberté supplémentaire. En effet, les nano-trous peuvent être réalisés à des hauteurs différentes les uns par rapport aux autres. L'extraction du flux optique du guide d'ondes par ces antennes tridimensionnelles constituées de nano-trous peut donc être contrôlée par plusieurs paramètres : la période, le rapport cyclique avec le diamètre des nano-trous, le décalage, l’écartement ou la superposition de nano-trous périodiques en hauteur.The invention provides access to an additional degree of freedom. Indeed, the nanoholes can be made at different heights relative to each other. The extraction of the optical flow from the waveguide by these three-dimensional antennas made of nanoholes can therefore be controlled by several parameters: the period, the duty cycle with the diameter of the nanoholes, the offset, the spacing or the superposition of periodic nanoholes in height.
Ceci a pour effet de réduire le cône angulaire d'émission, permettant de diriger le flux extrait du guide d’ondes vers un nombre très réduit de pixels d’un détecteur optique associé. La divergence est alors quasi nulle, indépendamment de la profondeur de la zone active dans le détecteur optique, et le signal peut être mesuré sans diaphonie.This has the effect of reducing the angular cone of emission, allowing the flux extracted from the waveguide to be directed towards a very small number of pixels of an associated optical detector. The divergence is then almost zero, independently of the depth of the active zone in the optical detector, and the signal can be measured without crosstalk.
L’invention permet ainsi de contrôler la puissance extraite avec un réseau bidimensionnel pour un nombre de nano-trous donné en contrôlant la position verticale du réseau par rapport au guide d’ondes. La divergence angulaire du rayonnement diminue avec le nombre de nano-trous ou la longueur du réseau. La période des nano-trous est dans ce cas de préférence de λ/n, avec λ la longueur d'onde du signal et n l'indice de réfraction du substrat dans lequel sont formés le guide d’ondes et les nano-trous.The invention thus makes it possible to control the power extracted with a two-dimensional grating for a given number of nanoholes by controlling the vertical position of the grating relative to the waveguide. The angular divergence of the radiation decreases with the number of nanoholes or the length of the grating. The period of the nanoholes is in this case preferably λ/n, with λ the wavelength of the signal and n the refractive index of the substrate in which the waveguide and the nanoholes are formed.
Pour obtenir une forme plus homogène du rayonnement vertical, il peut être possible d'utiliser un réseau apodisé. Cette apodisation peut se faire de deux manières : soit par contrôle du diamètre des nano-trous, soit par décalage vertical de la position des nano-trous.To obtain a more homogeneous shape of the vertical radiation, it may be possible to use an apodized grating. This apodization can be done in two ways: either by controlling the diameter of the nanoholes, or by vertical shifting of the position of the nanoholes.
Enfin lorsque la période des nano-trous est 2 à 3 fois supérieure à λ/n, il existe plusieurs ordres de Bragg rayonnés (c'est-à-dire plusieurs directions du rayonnement de la lumière en plus de la direction normale). Il est également possible de répartir horizontalement et verticalement les nano-trous pour réduire l'influence du rayonnement dans les directions différentes de celle de la verticale.Finally, when the period of the nanoholes is 2 to 3 times greater than λ/n, there are several radiated Bragg orders (i.e. several directions of light radiation in addition to the normal direction). It is also possible to distribute the nanoholes horizontally and vertically to reduce the influence of radiation in directions other than the vertical.
L’invention peut ainsi permettre de développer un spectromètre optique compact, sans aucune pièce mobile, le détecteur étant collé au guide d'ondes collecteur de photons à caractériser, avec un réseau de Bragg pour seule optique de relais.The invention can thus make it possible to develop a compact optical spectrometer, without any moving parts, the detector being glued to the photon collector waveguide to be characterized, with a Bragg grating as the only relay optics.
La présente invention a donc pour objet un substrat optique à guide d’ondes intégré, le substrat optique ayant une direction longitudinale, une direction transversale et une direction de hauteur et étant constitué d’un matériau d’indice de réfraction n, le guide d’ondes étant formé dans le substrat optique selon la direction longitudinale du substrat optique, au moins une antenne étant formée dans le substrat optique décalée du guide d’ondes dans la direction de hauteur, l’au moins une antenne étant configurée pour diffracter, dans la direction de hauteur du substrat optique, une onde évanescente produite à la surface du guide d’ondes par une onde stationnaire générée par l’injection d’un signal optique de longueur d’onde λ dans le guide d’ondes, caractérisé par le fait que l’au moins une antenne est formée par plusieurs nano-trous formés selon la direction transversale du substrat optique, au moins l’un des nano-trous différant des autres nano-trous par au moins l’un parmi son diamètre, son espacement du guide d’ondes selon la direction de hauteur du substrat optique et son écartement à un nano-trou adjacent de la même antenne selon la direction longitudinale du substrat optique.The present invention therefore relates to an optical substrate with an integrated waveguide, the optical substrate having a longitudinal direction, a transverse direction and a height direction and being made of a material with a refractive index n, the waveguide being formed in the optical substrate in the longitudinal direction of the optical substrate, at least one antenna being formed in the optical substrate offset from the waveguide in the height direction, the at least one antenna being configured to diffract, in the height direction of the optical substrate, an evanescent wave produced on the surface of the waveguide by a standing wave generated by the injection of an optical signal of wavelength λ into the waveguide, characterized in that the at least one antenna is formed by several nano-holes formed in the transverse direction of the optical substrate, at least one of the nano-holes differing from the other nano-holes by at least one of its diameter, its spacing from the waveguide in the height direction of the optical substrate and its spacing at an adjacent nanohole of the same antenna along the longitudinal direction of the optical substrate.
La distribution des nano-trous dans la direction de hauteur et/ou leur apodisation permet d’améliorer l’extraction du flux issu du guide d’ondes vers l’extérieur du substrat.The distribution of nanoholes in the height direction and/or their apodization makes it possible to improve the extraction of the flux from the waveguide towards the outside of the substrate.
Selon un mode de réalisation, l’au moins une antenne comprend un nombre impair de nano-trous, de préférence entre trois et cinq nano-trous, de façon davantage préférée comprend cinq nano-trous.According to one embodiment, the at least one antenna comprises an odd number of nanoholes, preferably between three and five nanoholes, more preferably comprises five nanoholes.
La largeur (évasement angulaire) et l’intensité du signal diffracté sont liées au nombre de nano-trous : plus il y a de trous, plus le signal est cohérent, avec un pic plus fin et moins de diaphonie. Ainsi, l'intensité du signal est proportionnelle au nombre de trous, la largeur de diffraction étant quant à elle inversement proportionnelle au nombre de trous. L’augmentation du nombre de trous introduit des contraintes sur la répétabilité. Un compromis entre la cohérence du signal et la répétabilité est atteint avec autour de cinq nano-trous par antenne.The width (angular flare) and intensity of the diffracted signal are related to the number of nanoholes: the more holes there are, the more coherent the signal is, with a finer peak and less crosstalk. Thus, the signal intensity is proportional to the number of holes, the diffraction width being inversely proportional to the number of holes. Increasing the number of holes introduces constraints on repeatability. A compromise between signal coherence and repeatability is achieved with around five nanoholes per antenna.
L’au moins une antenne peut être formée entre le guide d’ondes et le détecteur, auquel cas l’au moins une antenne diffracte l’onde évanescente à l’opposé du guide d’ondes, ou l’au moins une antenne peut être formée à l’opposé du détecteur par rapport au guide d’ondes, auquel cas l’au moins une antenne diffracte l’onde évanescente vers le guide d’ondes et le détecteur.The at least one antenna may be formed between the waveguide and the detector, in which case the at least one antenna diffracts the evanescent wave away from the waveguide, or the at least one antenna may be formed opposite the detector relative to the waveguide, in which case the at least one antenna diffracts the evanescent wave toward the waveguide and the detector.
L’onde stationnaire formée dans le guide d’ondes par l’injection d’un signal optique de longueur d’onde λ peut être obtenue soit par réflexion en bout de guide d’ondes grâce à un miroir, soit par injection de deux sources de part et d'autre du guide d’ondes (donc injection par la gauche et par la droite du guide d’ondes simultanément), ce qui demande une division au préalable du flux optique de la source pour faire une répartition 50/50 puis une séparation des trajets optiques pour injecter par les deux entrées opposées du guide d’ondes.The standing wave formed in the waveguide by the injection of an optical signal of wavelength λ can be obtained either by reflection at the end of the waveguide using a mirror, or by injection of two sources on either side of the waveguide (therefore injection by the left and by the right of the waveguide simultaneously), which requires a prior division of the optical flow of the source to make a 50/50 distribution then a separation of the optical paths to inject by the two opposite inputs of the waveguide.
Selon un mode de réalisation, les nano-trous ont des diamètres décroissant de façon symétrique d’un nano-trou central de l’antenne vers les nano-trous d’extrémité.According to one embodiment, the nanoholes have diameters decreasing symmetrically from a central nanohole of the antenna towards the end nanoholes.
Un diamètre de nano-trous variable (apodisation) au sein d’une même antenne permet d’ajuster l’enveloppe du signal diffracté. Par exemple, un trou plus large au centre de l’antenne permet de réduire les lobes secondaires du signal diffracté par l’antenne pour améliorer la qualité d’extraction du signal diffracté vers l’extérieur du substrat optique, permettant par exemple de passer d’un signal diffracté ayant la forme d’un sinus cardinal à une forme de gaussienne.A variable nanohole diameter (apodization) within the same antenna allows to adjust the envelope of the diffracted signal. For example, a larger hole in the center of the antenna allows to reduce the side lobes of the signal diffracted by the antenna to improve the quality of extraction of the diffracted signal towards the outside of the optical substrate, allowing for example to pass from a diffracted signal having the shape of a cardinal sine to a Gaussian shape.
Selon un mode de réalisation, les nano-trous sont dans des plans parallèles selon la direction de hauteur du substrat optique.According to one embodiment, the nanoholes are in parallel planes along the height direction of the optical substrate.
Selon un mode de réalisation, les nano-trous ont une disposition en V, le nano-trou central constituant la pointe du V étant en regard du guide d’ondes et les autres nano-trous étant disposés symétriquement selon chaque branche du V dans des plans perpendiculaires à la direction de hauteur du substrat optique s’éloignant du guide d’ondes selon que les nano-trous qu’ils contiennent se rapprochent des extrémités des branches du V, l’écartement espaçant deux nano-trous adjacents en projection dans un plan perpendiculaire à la direction de hauteur du substrat optique étant égal à λ/n ou à un multiple entier de λ/n. Au sein d’une même antenne, l’écartement séparant chaque couple de nano-trous adjacents peut être le même, mais l’invention n’est pas limitée à cet égard, les écartements au sein d’une même antenne pouvant différer pour autant que chaque écartement espaçant deux nano-trous adjacents en projection dans un plan perpendiculaire à la direction de hauteur du substrat optique est égal à λ/n ou à un multiple entier de λ/n.According to one embodiment, the nanoholes have a V-shaped arrangement, the central nanohole constituting the tip of the V facing the waveguide and the other nanoholes being arranged symmetrically along each branch of the V in planes perpendicular to the height direction of the optical substrate moving away from the waveguide depending on whether the nanoholes they contain approach the ends of the branches of the V, the spacing separating two adjacent nanoholes in projection in a plane perpendicular to the height direction of the optical substrate being equal to λ/n or to an integer multiple of λ/n. Within the same antenna, the spacing separating each pair of adjacent nanoholes may be the same, but the invention is not limited in this regard, the spacings within the same antenna being able to differ provided that each spacing separating two adjacent nanoholes in projection in a plane perpendicular to the height direction of the optical substrate is equal to λ/n or to an integer multiple of λ/n.
Selon un mode de réalisation, l’au moins une antenne comprend cinq nano-trous ayant une disposition en W et disposés dans deux plans parallèles entre eux et perpendiculaires à la direction de hauteur du substrat optique, un premier plan comprenant le nano-trou central et les deux nano-trous d’extrémité, la distance entre chaque nano-trou d’extrémité et le nano-trou central selon la direction longitudinale du substrat optique dans le premier plan étant égale à une distance caractéristique égale à λ/n ou à un multiple entier de λ/n, un second plan disposé entre le guide d’ondes et le premier plan comprenant les deux autres nano-trous espacés d’une distance égale à la distance caractéristique selon la direction longitudinale du substrat optique, le premier plan et le second plan étant distants de la moitié de la distance caractéristique selon la direction de hauteur du substrat optique.According to one embodiment, the at least one antenna comprises five nano-holes having a W-shaped arrangement and arranged in two planes parallel to each other and perpendicular to the height direction of the optical substrate, a first plane comprising the central nano-hole and the two end nano-holes, the distance between each end nano-hole and the central nano-hole in the longitudinal direction of the optical substrate in the first plane being equal to a characteristic distance equal to λ/n or to an integer multiple of λ/n, a second plane arranged between the waveguide and the first plane comprising the two other nano-holes spaced apart by a distance equal to the characteristic distance in the longitudinal direction of the optical substrate, the first plane and the second plane being separated by half the characteristic distance in the height direction of the optical substrate.
La distance caractéristique est, de préférence, égale à λ/n, mais peut également prendre la valeur d’un multiple entier de λ/n.The characteristic distance is preferably equal to λ/n, but can also take the value of an integer multiple of λ/n.
Selon un mode de réalisation, le substrat optique comprend plusieurs antennes formées d’un même côté du guide d’ondes dans la direction de hauteur et constituant un réseau d’antennes, le réseau d’antennes étant configuré pour diffracter une ou plusieurs longueurs d’onde.According to one embodiment, the optical substrate comprises several antennas formed on the same side of the waveguide in the height direction and constituting an antenna array, the antenna array being configured to diffract one or more wavelengths.
Les différentes antennes formées dans le substrat optique peuvent ainsi soit être formées, dans la direction de hauteur du substrat optique, entre le guide d’ondes et le détecteur, soit à l’opposé du détecteur par rapport au guide d’ondes, le guide d’ondes étant alors entre les antennes et le détecteur.The various antennas formed in the optical substrate can thus either be formed, in the height direction of the optical substrate, between the waveguide and the detector, or opposite the detector relative to the waveguide, the waveguide then being between the antennas and the detector.
La présente invention a également pour objet un spectromètre comprenant une source de lumière, un substrat optique tel que défini ci-dessus et un détecteur, le substrat ayant deux faces planes parallèles opposées selon la direction de hauteur du substrat optique, la source de lumière étant configurée pour injecter de la lumière dans le guide d’ondes du substrat optique, le détecteur étant disposé en regard de la face plane du substrat vers laquelle la lumière diffractée par l’au moins une antenne est dirigée.The present invention also relates to a spectrometer comprising a light source, an optical substrate as defined above and a detector, the substrate having two parallel flat faces opposite in the height direction of the optical substrate, the light source being configured to inject light into the waveguide of the optical substrate, the detector being arranged opposite the flat face of the substrate towards which the light diffracted by the at least one antenna is directed.
L’injection de lumière peut se faire à l’aide d’une fibre optique collée au substrat, en face du guide d’ondes, ou bien à l’aide de microlentilles collées sur le guide d’ondes, ou encore en focalisant le faisceau provenant de la source de lumière avec des objectifs de microscope ou tout assemblage de lentilles optiques approprié.Light injection can be done using an optical fiber bonded to the substrate, in front of the waveguide, or using microlenses bonded to the waveguide, or by focusing the beam coming from the light source with microscope objectives or any suitable optical lens assembly.
Selon un mode de réalisation, des réservoirs de fluide sont formés à la surface du substrat optique, sur la face du substrat optique en regard du détecteur, afin de permettre une analyse par spectrométrie de la lumière diffractée par l’au moins une antenne et passant à travers les réservoirs.According to one embodiment, fluid reservoirs are formed on the surface of the optical substrate, on the face of the optical substrate facing the detector, in order to allow spectrometric analysis of the light diffracted by the at least one antenna and passing through the reservoirs.
Selon un mode de réalisation, un circuit microfluidique est formé entre la face du substrat optique en regard du détecteur et le détecteur, afin de permettre une analyse par spectrométrie de la lumière diffractée par l’au moins une antenne et passant à travers le circuit microfluidique.According to one embodiment, a microfluidic circuit is formed between the face of the optical substrate facing the detector and the detector, in order to allow spectrometric analysis of the light diffracted by the at least one antenna and passing through the microfluidic circuit.
Pour mieux illustrer l’objet de la présente invention, des modes de réalisation, donnés à titre illustratif et non limitatif, vont maintenant être décrits en référence aux dessins annexés.To better illustrate the subject of the present invention, embodiments, given for illustrative and non-limiting purposes, will now be described with reference to the accompanying drawings.
Sur ces dessins :On these drawings:
Si l’on se réfère à la
Sur la
Le substrat optique 1 est un matériau d’indice de réfraction n, et comprend un guide d’ondes intégré 2 formé selon la direction longitudinale du substrat optique 1. Les ondes entrent dans le guide d’ondes intégré 2 par la gauche de la
L’antenne 3 échantillonne un point de l’onde propagative en convertissant la partie évanescente de l'onde propagative en interaction avec les nano-trous 4 en une onde rayonnée verticale pour extraire verticalement une partie de l'onde propagative, le même comportement étant obtenu pour l'onde contrapropagative. Les ondes ainsi diffractées par l’antenne 3 sont extraites vers un détecteur 5 sur la partie supérieure duquel est formée une couche de capteurs optiques 6. La somme des deux ondes rayonnées sur la couche de capteurs optiques 6 permet de générer une interférence qui sera dans ce cas contrastée. A titre d’exemple non limitatif, le détecteur peut être en InP, la couche de capteurs optiques 6 en partie supérieure étant un réseau de pixels IngaAs.The antenna 3 samples a point of the propagating wave by converting the evanescent part of the propagating wave in interaction with the nano-holes 4 into a vertical radiated wave to vertically extract a part of the propagating wave, the same behavior being obtained for the counter-propagating wave. The waves thus diffracted by the antenna 3 are extracted towards a detector 5 on the upper part of which is formed a layer of optical sensors 6. The sum of the two waves radiated on the layer of optical sensors 6 makes it possible to generate an interference which will be contrasted in this case. As a non-limiting example, the detector can be made of InP, the layer of optical sensors 6 in the upper part being an array of IngaAs pixels.
Il est à noter qu’il y a sur la
La
La
La
La
La
La différence entre les nano-trous 241, 242, 243 dans l’antenne 230 de ce troisième mode de réalisation vient de l’apodisation : les nano-trous 241, 242, 243 ont différents diamètres, le nano-trou central 241 ayant le plus grand diamètre, les deux nano-trous adjacents 242 ont un diamètre inférieur à celui du nano-trou central 241 et les deux nano-trous d’extrémité 243 ont un diamètre encore inférieur à celui des nano-trous 242.The difference between the nanoholes 241, 242, 243 in the antenna 230 of this third embodiment comes from the apodization: the nanoholes 241, 242, 243 have different diameters, the central nanohole 241 having the largest diameter, the two adjacent nanoholes 242 have a diameter smaller than that of the central nanohole 241 and the two end nanoholes 243 have a diameter even smaller than that of the nanoholes 242.
L’effet de l’apodisation est représenté en
Bien que l’antenne 3 soit représentée sur les Figures des différents modes de réalisation entre le guide d’ondes 2 et le détecteur 3, l’antenne 3 pourrait également être formée dans le substrat optique 1 sous le guide d’ondes 2, à savoir à l’opposé du détecteur 5 par rapport au guide d’ondes 2, sans s’écarter du cadre de la présente invention.Although the antenna 3 is shown in the Figures of the different embodiments between the waveguide 2 and the detector 3, the antenna 3 could also be formed in the optical substrate 1 under the waveguide 2, namely opposite the detector 5 with respect to the waveguide 2, without departing from the scope of the present invention.
Il est également bien entendu que l’invention n’est pas limitée, dans ses différents modes de réalisation, en ce qui concerne la génération de l’onde stationnaire et que l’onde stationnaire pourrait être créée dans le guide d’ondes 2 par tout autre moyen, en l’absence du miroir 2a à l’extrémité du guide d’ondes 2 opposée à l’extrémité d’injection du signal optique, par exemple par injection de deux sources optiques de part et d'autre du guide d’ondes 2 (donc injection par la gauche et par la droite du guide d’ondes 2 simultanément), avec une division préalable du flux optique de la source pour obtenir une répartition 50/50 sur les deux sources, puis séparation des trajets optiques pour injecter les signaux issus des deux sources optiques créées par les deux entrées opposées du guide d’ondes 2. Si l’on se réfère maintenant à la
Comme pour la
Une antenne 330 selon un quatrième mode de réalisation est formée dans le substrat optique 1, au-dessus du guide d’ondes 2 dans la direction de hauteur du substrat optique 1, l’antenne 330 étant une combinaison des premier et troisième modes de réalisation, à savoir constituée de cinq nano-trous 341, 342, 343, formés en V comme dans le premier mode de réalisation et apodisés comme dans le troisième mode de réalisation, le nano-trou central 341 étant le nano-trou qui constitue la base du V et de plus grand diamètre, les autres nano-trous, respectivement 342 et 343, étant disposés au-dessus et ayant des diamètres plus petits au fur et à mesure que l’on s’éloigne du guide d’ondes 2.An antenna 330 according to a fourth embodiment is formed in the optical substrate 1, above the waveguide 2 in the height direction of the optical substrate 1, the antenna 330 being a combination of the first and third embodiments, namely consisting of five nanoholes 341, 342, 343, formed in a V shape as in the first embodiment and apodized as in the third embodiment, the central nanohole 341 being the nanohole which constitutes the base of the V and of larger diameter, the other nanoholes, respectively 342 and 343, being arranged above and having smaller diameters as one moves away from the waveguide 2.
Le signal optique émis par la source optique 7 dans le guide d’ondes 2 génère, par circulation dans le guide d’ondes 2, une onde évanescente dirigée par l’antenne 330 vers le détecteur 5, et en particulier vers le réseau de pixels schématisé par la couche 6 en partie supérieure du détecteur 5, les signaux résultants étant envoyés vers le dispositif de traitement de signal 8. Le dispositif de traitement de signal 8 peut être un microprocesseur, un microcontrôleur, un processeur, un processeur de signaux numériques (DSP), une matrice prédiffusée programmable (FPGA), un composant à application spécifique (ASIC), voire un ordinateur disposant des logiciels permettant de traiter et d’analyser les signaux émis par les pixels de la couche 6.The optical signal emitted by the optical source 7 in the waveguide 2 generates, by circulation in the waveguide 2, an evanescent wave directed by the antenna 330 towards the detector 5, and in particular towards the pixel network schematized by the layer 6 in the upper part of the detector 5, the resulting signals being sent to the signal processing device 8. The signal processing device 8 may be a microprocessor, a microcontroller, a processor, a digital signal processor (DSP), a field programmable gate array (FPGA), an application-specific component (ASIC), or even a computer having software for processing and analyzing the signals emitted by the pixels of the layer 6.
Ainsi, une onde optique injectée dans le guide d’ondes 2 par la source optique 7 forme une onde évanescente diffractée par l’antenne 330 pour être captée par les pixels 6 puis traitée par le dispositif de traitement de signal 8 pour former le spectromètre optique S. En variante, des canaux de circulation d’un fluide 9 peuvent être formés en surface du substrat optique 1 et reliés à un dispositif de mise en circulation de fluide (non représenté sur la
Il est bien entendu que l’antenne selon l’invention a été représentée schématiquement sur les Figures, mais que ses dimensions ne sont pas obligatoirement à l’échelle, tant par rapport aux dimensions du substrat optique 1 que du guide d’ondes 2. Egalement, il est envisagé selon l’invention qu’il puisse y avoir plus ou moins de nano-trous par antenne, plusieurs antennes par substrat optique/spectromètre pour capter différentes longueurs d’ondes, et des configurations d’antennes différentes, pour autant qu’au moins l’un parmi le diamètre, l’espacement du guide d’ondes selon la direction de hauteur du substrat optique et l’écartement entre deux nano-trous adjacents varie pour les nano-trous d’une même antenne.It is understood that the antenna according to the invention has been shown schematically in the Figures, but that its dimensions are not necessarily to scale, both in relation to the dimensions of the optical substrate 1 and of the waveguide 2. Also, it is envisaged according to the invention that there may be more or fewer nanoholes per antenna, several antennas per optical substrate/spectrometer to capture different wavelengths, and different antenna configurations, provided that at least one of the diameter, the spacing of the waveguide according to the height direction of the optical substrate and the spacing between two adjacent nanoholes varies for the nanoholes of the same antenna.
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