Nouveaux concepts de nano-filtres infrarouges à l'échelle du pixel

Novel concepts of nano-scale structures for pixelated filtering in the infrared range

• Auteur / Autrice : Léopold Macé
• Direction : Olivier Gauthier-Lafaye, Antoine Monmayrant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 24/10/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofiltration

Spectres infrarouges

Photonique

Mots clés libres

Photonique

Réseaux sub-longueur d'onde

Filtrage spectral

Infrarouge

Nanotechnologies

Photonics

Sub-wavelenght gratings

Spectral filtering

Infrared

Nanotechnologies

Résumé

Dans le domaine du proche infrarouge et du moyen infrarouge (3-10 µm), les besoins évoluent vers une plus grande complexité des fonctions optiques et un niveau d'intégration plus élevé des systèmes. Ceci est particulièrement vrai dans un contexte spatial ou aéronautique visant à l'observation de la terre, où l'on cherche simultanément à accroître le nombre de bandes spectrales acquises et à miniaturiser les systèmes d'observation. Cela se traduit notamment par une pixellisation des filtres afin que ceux-ci soient intégrés dans une matrice réalisant plusieurs fonctions optiques. Or, les méthodes traditionnelles de fabrication de filtres optiques utilisant des empilements de couches minces n'ont pas démontré leur capacité à répondre au besoin de pixellisation dans l'infrarouge. C'est pourquoi il est nécessaire d'étudier de nouveaux concepts de filtrages issus du domaine de la photonique permettant de s'affranchir de ces limitations. Les "zero-contrast gratings" (ZCG),qui constituent une sous-catégorie des réseaux résonnants, ont démontré leur capacité à réaliser des filtres en transmission accordables de grande efficacité dans le proche-infrarouge, tout en ayant une structure très simple. Néanmoins, leur faible bande passante et leur tolérance angulaire réduite en limitent la pertinence pour des applications pixellisées dans le moyen-infrarouge. Nous présentons dans cette thèse diverses structures basées sur ce même concept de ZCG. D'une part nous introduisons des filtres 1D doublement corrugués de bande passante variant entre 1 et 200 nm, dont les tailles de pixels accessibles sont de l'ordre de 100 µm, accordables sur une bande de 200 nm. D'autre part, nous avons développé un nouveau concept de filtre, dit "ZCG TE/TM" dont le fonctionnement permet de dépasser une limitation très restrictive des ZCGs conventionnels pour le choix des matériaux. La fabricabilité de ces dispositifs a été démontrée lors d'opérations technologiques menées en salle blanche. Un premier démonstrateur de filtre 1D doublement corrugué été caractérisé optiquement.

In the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral domains (3-10 µm), requirements and needs evolve toward more complex optical functions and highly-integrated systems. This is especially relevant in the context of space and aeronautics applications for earth observation, where the aim is to increase the number of acquired spectral bands while simultaneously reducing the device footprint. These requirements translate into a pixelization of the filters so that they can be integrated into a mosaic which also performs the spatial filtering and different spectral functions. As of today, conventional thin films filter technologies haven't been shown to achieve this goal. As a result, different filtering concepts originating from the field of photonics which could overcome these limitations must be investigated. "Zero-contrast gratings" (ZCG) are a kind of guided-mode resonance filters that have proved to implement efficient tunable transmission filters in the MIR, while having a very simple structure. Nevertheless, their narrow transmission linewidth and weak angular acceptance hinder their applicability for pixelated applications in the MIR. We present in this work several structures based on the ZCG concept. On the one hand, we have introduced doubly-corrugated 1D filters with bandwidths ranging from 1 to 200 nm, allowing for 100 µm pixel sizes and tunable over a domain of 200 nm. On the other hand, we have shown a novel filtering concept, which we called "TE/TM ZCG". This new generation of ZCG is not bound by stringent material requirements inherent to conventionnal ZCGs. Their fabrica- bility have been demonstrated through cleanroom operations. A first doubly-corrugated 1D filter has been fabricated and characterized optically.