FR2975506A1 - Composant optique avec empilement de structures micro ou nanostructurees - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un composant optique fonctionnant dans une gamme de longueurs d'onde définie par une première longueur d'onde λ et par une seconde longueur d'onde λ caractérisé en ce qu'il comprend un méta-matériau réalisé dans un ou des matériaux diélectriques et/ou semiconducteurs avec dans son épaisseur, au moins une première strate (S ) comprenant moins une série de premiers motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques de première période Λ et une seconde strate (S ) comportant au moins une série de seconds motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques de seconde période Λ inférieure ou égale à environ la moitié de ladite première période Λ , lesdits premiers ou seconds motifs élémentaires étant définis dans un milieu de « strate » de premier indice optique, lesdits premiers ou seconds motifs élémentaires étant constitués par un milieu de « motifs » de second indice, lesdits motifs élémentaires étant de dimensions inférieures ou égales à la première longueur d'onde divisée par le maximum du premier indice ou du second indice. Application lentille, Anti-reflet...

Description

Composant optique avec empilement de structures micro ou nanostructurées Le domaine de l'invention est celui des composants optiques utilisés pour réaliser différents type de fonction, de type traitement anti-reflet, lentille, fonction de phase utilisée en tant que masque de phase, par exemple pour l' imagerie hybride à codage de pupille ou en tant que réseau blazé permettant par exemple de réaliser de la déflexion de faisceau et ce notamment pour des applications en spectroscopie ou de scanner.

En optique, classiquement, les composants optiques assurent des fonctions optiques (focalisation, correction d'aberrations, réflexion ou déflexion de faisceau, filtrage angulaire ou spectral..). Ces fonctions optiques sont obtenues par l'insertion d'une loi de phase précise sur le trajet de l'onde ou du faisceau optique que l'on dénomme ici fonctions de phase. Pour réaliser ces fonctions de phase, on utilise principalement la variation de la profondeur d'un composant (réalisé dans un matériau d'indice de réfraction donné) par, polissage de surface (sphérique pour les lentilles) et comme illustré en figure la, qui met en évidence un gradient de hauteur GH. Une autre alternative, illustrée en figure 1 b, pour obtenir la même fonction de phase est de garder la hauteur constante et de faire varier l'indice, en générant ainsi un gradient d'indice GM. Cependant, on comprend qu'il est difficile de réaliser techniquement un gradient parallèle au substrat (une méthode possible est l'interaction laser/matière mais elle ne permet pas des gradients d'indice suffisants), ce qui fait que cette approche est moins courante et concerne plutôt le domaine de l'optique guidée que celui des composants optiques fonctionnant en espace libre (par exemple servant à l'imagerie) Une autre alternative pour réaliser ces fonctions de phase par gradient d'indice, connue de l'état de l'art est l'utilisation de structures sub- longueur d'onde, illustré en figure 1c. Lorsqu'on considère une structure périodique caractérisée par une période bien inférieure à la longueur d'onde, celle-ci ne diffracte pas la lumière incidente, mais se comporte comme une couche homogène artificielle (on peut parler de méta-matériau diélectrique, au sens de matériau façonné par l'homme de façon à obtenir des propriétés non naturelles), caractérisée par un indice effectif G1eff. Cet indice effectif dépend de la géométrie du motif sub-longueur d'onde, et on comprend qu'en 2975506. 2 contrôlant localement la taille des microstructures, on est capable de synthétiser une fonction/distribution d'indice effectif et donc une fonction de phase. Typiquement pour qu'une structure périodique fonctionne en régime 5 sub-longueur d'onde, pour une illumination donnée en incidence normale avec une longueur d'onde Xo, sa période, As, doit être inférieure sensiblement à Xo/n, n étant l'indice du matériau structuré. Dans un mode privilégié de réalisation de cette troisième méthode représenté en figure 1d, les piliers (ou les trous) sont tous identiques et de 10 section par exemple circulaire ou carrée, le diamètre ou la largeur desdits piliers étant au moins d'un ordre de grandeur inférieur à celui de la longueur d'onde moyenne de la longueur d'onde, et la distance d'un pilier à l'autre étant inférieure à AS et généralement inférieure à AS/2, la densité de piliers en chaque point de la fonction de phase est sensiblement proportionnelle à la 15 valeur de la phase du fonction de phase audit point. La courbe de la figure 2 représente l'indice effectif du matériau artificiel composé de piliers périodiques en fonction du taux de remplissage surfacique, le taux de remplissage étant égal à la surface occupée par les micro-piliers contenus dans une unité de surface de la fonction de phase 20 divisée par cette même unité de surface. On voit que l'indice effectif est proportionnel au taux de remplissage. Par ce moyen, il est donc possible de réaliser les gradients d'indice optique désirés en jouant uniquement sur la densité de micro-piliers par unité de surface ou sur la variation de densité et la variation des tailles de structures 25 Ces micro-piliers peuvent, par exemple, être obtenus par différents procédés. On citera : la gravure à partir d'un masque constitué de motifs élémentaires de petite taille identiques dont la densité varie sur chacune des cellules élémentaires constituant le maillage 30 sub-longueur d'onde, à la manière du codage des niveaux de gris en imprimerie ; la croissance contrôlée de nanotubes ou de nano-fils dont le diamètre varie de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres ; 35 la croissance par une épitaxie localisée.

Les optiques sub-longueur d'onde ont un fort potentiel : - pour les fonctions anti-reflet : (notamment pour leurs propriétés spectrales et angulaires) ; pour les fonctions optiques : (potentiel pour réduire le nombre d'éléments optiques dans un système optique, donc d'obtenir une meilleure compacité des systèmes optiques) ; pour les fonctions de type « free-form » qui ne comportent pas de symétrie de révolution (comme les profils polynomiaux d'ordre impairs qui peuvent être utiles pour le codage de pupille et permettent d'envisager des systèmes d'imagerie simplifiés sans autofocus ou simplification des mécaniques de positionnement des optiques...). Cependant, la difficulté principale pour adresser les forts rapports de forme (le rapport de forme étant défini comme le rapport de la hauteur sur la largeur/taille de la plus petite structure) nécessaires aux composants envisagés est l'absence de plateforme technologique industrielle. Par ailleurs, il est difficile de maitriser la forme exacte des structures sublongueur d'onde dans certains matériaux (dits durs, par opposition aux matériaux semi-conducteurs pour lesquels la filière micro-électronique met à disposition les procédés technologiques pour réaliser les motifs de structuration recherché pour la réalisation de fonctions optiques). Il est également difficile de réaliser des géométries plus complexes que des plots de section constante circulaire ou carré par exemple de type moth-eyes ou pyramide, à profil conique ou parabolique, tels que celles illustrées respectivement en figures 3a, 3b et 3c, (formes utiles pour les fonctions antireflet à plus haute performance en comparaison des technologies traditionnelles d'évaporation). Un autre point difficile est la maitrise de la profondeur de gravure en fonction de la taille des microstructures sans avoir à complexifier le procédé de réalisation (sauf si l'on envisage de mettre en oeuvre une couche d'arrêt mais ce qui nécessite de réaliser les fonctions recherchées à partir de substrats épitaxiés). Finalement, ces optiques sub-longueur d'onde peuvent nécessiter un traitement anti-reflet (dépôt d'une couche sur la structure) ce qui peut amener à une étape de fabrication supplémentaire pour laquelle à ce jour, seules des solutions traditionnelles d'évaporation semblent réalistes.

Pour l'ensemble de ces raisons, il existe, à ce jour, peu de fonctions optiques réalisées par structuration sub-longueur d'onde ayant franchi le stade des réalisations de laboratoire, sauf pour ce qui est des fonctions d'anti-reflets pour lesquelles le motif est uniforme et ne nécessite pas de conditions de périodicité stricte (ordre à longue distance) des différentes structures élémentaires. Il est ainsi possible d'envisager leur réplication sur des surfaces optiques de grande taille (exemple de fonction anti-reflet AR sur lentille ou sur cellules solaires) à partir d'un motif élémentaire beaucoup plus petit sans recalage de plage.

C'est pourquoi les efforts ont donc été mis pour développer des technologies de réplication (fabrication d'un original, fabrication d'un master et puis réplication à partir du master), dans le visible principalement avec des matériaux finaux en plastique et polymère. Une difficulté demeure cependant, celle d'obtenir notamment des forts rapports de forme, importants et nécessaires à la réalisation de fonctions optiques plus complexes que le simple antireflet (assurant des fonctions de correction ou de focalisation), sur des surface >1 pouce (surface minimum généralement en optique visible ou proche IR et 2 pouces pour l'IR2 ou l'IR3 (typiquement, on parle d'IR2 pour la gamme de longueur d'onde 3-5pm et d'IR3 pour la gamme 8-12pm). Le nano-imprint (méthode de lithographie par nano-impression) permet actuellement la réplication motifs élémentaires à faibles rapports de formes (environ 2 :1) selon des lois de répartition périodiques ou non (avec des tailles de motifs jusqu'à 50-100nm).

Si le motif est périodique, il est plus facilement fabricable car l'on peut faire de la lithographie sur champ réduit et faire du raccord de champ (avec un répéteur) pour augmenter la surface. Si le motif n'est pas périodique, le nano-imprint s'effectue directement sur une grande surface. Dans ce cas la difficulté est de réaliser 30 la lithographie grande surface permettant de générer le master. Dans ce contexte, la présente invention a pour objet un nouveau type de composant optique basé sur l'engineering 3D de la structure locale des matériaux et consiste à réaliser des fonctions anti-reflet et/ou optiques par structuration d'un matériau artificiel lui même comprenant plusieurs strates de matériaux également structurés à plus faible échelle (ou non), de manière homogène (ou non). Plus précisément, la présente invention a pour objet un composant optique fonctionnant dans une gamme de longueurs d'onde définie par une première longueur d'onde À1 et par une seconde longueur d'onde À2 caractérisé en ce qu'il comprend un méta-matériau réalisé dans un ou des matériaux diélectriques et/ou semi-conducteurs avec dans son épaisseur, au moins une première strate comprenant au moins une série de premiers motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques de première période Al et une seconde strate S2 comportant au moins une série de seconds motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques de seconde période A2 inférieure ou égale à environ la moitié de ladite première période A1, lesdits premiers ou seconds motifs élémentaires étant définis dans un milieu de « strate » de premier indice optique, lesdits premiers ou seconds motifs élémentaires étant constitués par un milieu de « motifs » de second indice, lesdits motifs élémentaires étant de dimensions inférieures ou égales à la première longueur d'onde divisée par le maximum du premier indice ou du second indice. On entend par périodiques ou pseudo-périodiques, des motifs qui s'ils sont répartis dans une maille carrée de dimension A, sont centrés dans ladite maille carrée, soit décalés par rapport à cette position centrale d'une distance inférieure à environ N3. Selon une variante de l'invention, le composant comprend un empilement de strates comportant chacune au moins une série de motifs 25 élémentaires définis à la surface desdites strates. Selon une variante de l'invention, le composant comprend un empilement de strates comportant chacune au moins une série de motifs élémentaires définis dans l'épaisseur de ladite strate. Selon une variante de l'invention, le composant comprend un 30 matériau dans lequel sont définies les séries de motifs élémentaires à différentes profondeurs dudit matériau massif. Selon une variante de l'invention, les strates comprennent au moins une variation d'indice pouvant être un gradient d'indice effectif dans une des directions du plan dans lequel est définie une strate.

Selon une variante de l'invention, le méta matériau présente en outre au moins une variation d'indice pouvant être un gradient d'indice effectif selon une direction perpendiculaire au plan des strates. Selon une variante de l'invention, ladite seconde strate comporte des premiers motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques comportant eux-mêmes les seconds motifs élémentaires appelés sous-motifs élémentaires. Selon une variante de l'invention, le ou les variations ou gradients d'indice sont obtenus avec des tailles de motifs élémentaires différentes. Selon une variante de l'invention, le ou les variations ou gradients d'indice sont obtenus avec des géométries différentes. Selon une variante de l'invention, le méta-matériau comporte des strates comprenant des motifs élémentaires inclus dans un milieu comportant des combinaisons de matériaux. 15 Selon une variante de l'invention, le méta-matériau comporte des matrices dans lesquelles sont inclus les motifs élémentaires, lesdites matrices comprenant des combinaisons de matériaux. Selon une variante de l'invention, le composant comprend au moins une première strate comprenant des motifs élémentaires de première 20 période Al assurant une fonction anti-reflet et au moins une seconde strate comprenant des motifs élémentaires de seconde période A2 assurant une fonction anti-reflet. Selon une variante de l'invention, le composant comprend au moins une première strate comprenant des motifs élémentaires de première 25 période Al assurant une fonction anti-reflet et au moins une seconde strate comprenant des motifs élémentaires de seconde période A2 assurant une fonction optique de type déviation ou filtrage ou masque de phase ou focalisation, sur au moins une de ses faces. Selon une variante de l'invention, le composant comporte un substrat 30 comprenant sur ses deux faces, un méta-matériau permettant de réaliser deux fonctions d'indice sur chacune desdites faces.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce 35 aux figures annexées parmi lesquelles : - les figures la, 1 b, 1c et 1d illustrent l'évolution du design d'un composant diffractif classique (à profil continu) vers un composant diffractif sub-longueur d'onde composé de structures de même taille mais de densité localement variable ; - la figure 2 illustre l'évolution de l'indice effectif d'un matériau artificiel composé de piliers périodiques en fonction du taux de remplissage filtre par des micro-piliers ; - les figures 3a, 3b et 3c illustrent respectivement des profils de type « moth eye », pyramidal et conique pouvant être utilisés dans des fonctions 10 optiques ; - les figures 4a et 4b illustrent un premier exemple de composant optique selon l'invention dans lequel on réalise un gradient d'indice effectif vertical; - les figures 5a et 5b illustrent un second exemple de composant 15 optique sub-longueur d'onde intégrant une fonction antireflet ; - les figures 6a et 6b illustrent un troisième exemple de composant optique présentant un gradient d'indice vertical utilisant le contrôle de la densité de micro-piliers ; - les figures 7a et 7b illustrent un quatrième exemple de composant 20 optique selon l'invention, réalisant un gradient d'indice horizontal et vertical ; - les figures 8a à 8e illustrent un exemple de réalisation d'une structure de traitement antireflet d'un substrat de silicium ; - la figure 9 illustre le comportement spectral de l'exemple de la structure décrit en figures 8a à 8e ; 25 - les figures 10a à 10d illustrent une variante de l'exemple de réalisation de la structure décrite en figures 8a à 8e ; - la figure 11 illustre le comportement spectral de l'exemple de la structure décrit en figures 10a à 10d ; - les figures 12a à 12d illustrent un exemple de réalisation d'une 30 structure de réseau blazé. De manière générale, le composant optique de l'invention comporte au moins deux strates, chacune comprenant des motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques.

La période des motifs élémentaires d'une strate est au moins inférieure à environ la moitié de la période de l'autre strate, permettant grâce au méta-matériau ainsi constitué d'élargir les bandes de fonctionnement du composant ainsi réalisé et/ou de rendre ledit composant multifonctionnel (typiquement il pourra ainsi d'agir d'une fonction optique telle qu'une lentille ou un filtre intégrant une ou deux structures anti-reflet). Le composant optique de la présente invention permet ainsi : d'envisager un moyen de fabrication d'optiques sub-longueur d'onde à grande échelle (en volume et en taille) et compatible avec les moyens de nano-imprint ; d'accéder à des fonctions antireflets plus large bande et/ou tolérant angulairement ; d'accéder à des composants multifonctions qui pourraient être d'un seule bloc et donc ensuite fabricable en une seule étape une fois le moule réalisé à partir d'un master : par moulage. Un tel composant est monolithique et ne nécessite plus l'étape supplémentaire de traitement antireflet par évaporation après la fabrication de la fonction optique à proprement dit.

20 Premier exemple de composant optique selon l'invention : Le composant optique de l'invention peut avantageusement comprendre une structure lui conférant des propriétés anti-reflet avec un gradient d'indice perpendiculaire au plan des strates. Typiquement, il peut comprendre un empilement de couches dans lesquelles sont gravées des 25 séries de motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques de différentes périodes comme illustré en figure 4a. Plus précisément sur un substrat So, sur une surface constitutive d'une première strate SI, on définit une série de premiers motifs Miis1 réalisés dans un matériau par gravure, les motifs périodiques étant définis avec un 30 pas As1 inférieur à la longueur d'onde à laquelle doit fonctionner le composant. On définit une seconde strate S2 comportant des seconds motifs M;JS2 réalisés dans le même matériau, les motifs périodiques étant définis avec un pas As2 inférieur à la longueur d'onde puis une troisième strate S3 comportant des troisièmes motifs M;jS3 définis avec un pas Asa inférieur à la 35 longueur d'onde également réalisés dans le même matériau. Les périodes 15 des motifs sont telles que neffi < neff2 < neff3. L'ensemble ainsi constitué présente un gradient d'indice Gneff croissant depuis la strate S3 vers le substrat So et résultant de l'ensemble des séries de motifs M;JT = Mijs1 + Mijs2 + MIJS3 , comme illustré en figure 4b.

Deuxième exemple de composant optique selon l'invention : Cette variante permet d'assurer comme dans le troisième et quatrième exemple, une fonction anti-reflet intégrée à une fonction de phase (la fonction de phase permet d'effectuer de la déflexion de faisceau au même titre qu'un réseau blazé). Toutes les séries de motifs peuvent être réalisées dans un même matériau, mais avec des variations de dimensions de motifs et notamment de sous-motifs élémentaires permettant de structurer le méta-matériau comme illustré en figure 5a, ainsi la première strate et la troisième strate comporte des séries de motifs élémentaires comportant eux-mêmes des motifs élémentaires appelés sous-motifs élémentaires MijkIS1 et M;jkIS3 de période différente de celle des motifs de la seconde strate et, permettant artificiellement de modifier l'indice optique des motifs élémentaires de la strate concernée, la seconde strate comportant uniquement des motifs élémentaires M;jS2. La figure 5b schématise l'ensemble des motifs ainsi réalisés en un point de coordonnées (i,,j) dans le plan des strates, soit un motif résultant MIT = M;js1 + Mijs2 + MijkIS3, l'ensemble des motifs M;js1 pouvant être entourés de motifs élémentaires M;jkls1 pour disposer de paramètres supplémentaires afin d'affiner les propriétés optiques de chacune des strates.

Troisième exemple de composant optique selon l'invention : Cette variante permet d'assurer, une fonction anti-reflet intégrée à une fonction de phase. La fonction de phase permet d'effectuer de la déflexion de faisceau au même titre qu'un réseau blazé. Selon cette variante, les différentes strates comportent des densités de motifs élémentaires variables permettant de synthétiser un gradient d'indice effectif Gneffv perpendiculaire au substrat. Les figures 6a et 6b illustrent ainsi l'empilement au dessus d'un substrat, d'une première strate comprenant des motifs élémentaires M;%Se, d'une seconde strate comportant des motifs élémentaires comprenant des sous-motifs élémentaires Mijkis2 de plus petite période devant la période des motifs élémentaires Mijs1 et d'une troisième strate comportant des motifs élémentaires comprenant des sous-motifs élémentaires Mijkls3 également de plus petite période que celle des motifs élémentaires MijS1. Plus précisément, la figure 6b schématise l'ensemble des motifs ainsi réalisés en un point de coordonnées (i' j) dans le plan des strates, ainsi un motif résultant MUT est constitué par l'ensemble de motifs : MijT = MijS1 + MijkIS2 + MijkIS3- 10 Quatrième exemple de composant optique selon l'invention : Cette variante permet de réaliser une fonction avec gradient d'indice effectif dans le plan (X,Y) d'une strate en élaborant des strates avec gradient d'indice au sein d'une même strate en densifiant plus ou moins le plan de la 15 strate en motifs élémentaires et en densifiant par ailleurs différemment en motifs élémentaires d'une strate à l'autre de manière à créer également un gradient d'indice effectif vertical Gneffv comme illustré en figure 7a qui montre que dans chacune des première, seconde, troisième et quatrième strates, les motifs élémentaires respectivement M;js1, Mijs2 et Mi1S3 sont plus denses pour 20 des valeurs d'abscisses x faibles que pour des valeurs d'abscisses x élevées. La figure 7b schématise la structure résultante avec son gradient d'indice Gneffp effectif dans le plan (X,Y) et le gradient d'indice effectif G1effv selon la direction Z.

25 Exemple de réalisation d'un traitement anti-reflet selon l'invention d'un substrat de silicium à 1.55um, utilisant différentes strates structurées dans différents matériaux.

30 Un exemple de traitement antireflet d'un substrat de silicium est représenté en coupe sur la figure 8a. Il s'agit d'un ensemble de strates réalisées sur un substrat de silicium So avec l'empilement des différentes strates suivantes élaborées avec les matériaux suivants : la strate SI est réalisée à partir d'une couche de silicium structurée et remplie de SiO2, la période des trous est de 400nm et leur hauteur est de 0,11 pm ; - la strate S2 est réalisée à partir d'une couche de silicium 5 structurée et remplie de SiO2, la période des trous est de 160 nm et leur hauteur est de 0,17 pm ; la strate S3 est une couche de SiO2 non structurée de hauteur 0,21 pm ; la strate S4 est une couche structurée par de l'air, la période 10 des trous est de 160 nm et leur hauteur est de 0,12 pm. L'ensemble des strates structurées comporte des trous de section carrée de côté 100nm. D'une strate à l'autre la période des trous change, la hauteur de la strate varie (entre 0.11 pm et 0.21 pm dans le cas présent), le matériau structuré également, ainsi que le matériau remplissant les 15 géométries perforées. II est à noter que les trous (ou motifs de façon plus générale) ne sont pas nécessairement alignés. Les figures 8b à 8d montrent une vue de dessus de chaque strate et des différentes périodes des motifs élémentaires appartenant à chacune des strates, la légende donnant l'indice du matériau 20 selon les dimensions x et y (en microns). Plus exactement : - la strate S4 comprend une matrice de silice (SiO2) avec un indice de 1,53, les motifs d'air ayant un indice 1 ; - la strate S3 présente l'indice optique de la silice soit 1,53 ; - dans les strates S3 et S4 : la matrice en silicium (Si) d'indice 3,52 25 dans laquelle les motifs sont en silice d'indice 1,53. La période macroscopique du réseau est de 1,6pm selon l'axe x et l'axe y. D'une strate à l'autre la période des motifs dans une strate varie : A31=0,4pm (strate SI), AS2=0,16pm (strate S2), As4=0,16pm (strate S4).

30 Un exemple de procédé technologique compatible de ce type de motifs comprend un dépôt de couche mince (silicium ou diélectrique dans le cas présent) par « IAD » pour « Ion Assisted Deposition » avec une épaisseur connue, suivie d'une lithographie et d'une gravure. Les motifs de type trous sont ensuite remplis par un autre matériau : du SiO2, mais il 35 pourrait également s'agir d'autres matériaux tels qu'un polymère, SiO2, Si3N4, AI203, TiO2, BCB (Benzocyclobutene-based polymer), avec un indice différent. Les étapes successives de masquage se répètent pour les couches S2, S3 et S4 (dans ce cas précis les motifs de la strate S4 n'étant pas remplis).

Ce traitement anti-reflet est conçu pour fonctionner à 1,55pm et permet de passer d'une transmission (intensité lumineuse transmise) de 69% à environ 100%, en incidence normale à la longueur d'onde de conception (4). Les tailles des trous sont toutes égales à 0.1 pm et leur périodicité varie de 0,16pm à 0,4pm d'une strate à l'autre, les hauteurs des strates variant entre 0,11 pm et 0,21 pm. La figure 9 illustre le comportement spectral de la structure de méta-matériau décrite ci-dessus. Elle donne la transmission (Intensité transmise) en fonction de la longueur d'onde (courbe en trait plein). A titre de comparaison, est également reportée sur cette figure (voir courbe 9a), la transmission d'un anti-reflet dit « parfait » (idéal mais qui n'existe pas dans la nature) composé d'une couche mince d'indice (nAR=sgrt(ns )) et de hauteur hAR=Xo/(4xnAR). Il est à noter que bien que le traitement anti-reflet par ensemble de strates n'ait pas été optimisé en large bande (mais à la longueur d'onde nominale 4=1,55pm), la transmission reste plate et proche de 100% sur un large intervalle spectral comme illustré par la courbe 9b. Exemple de variante de réalisation de structure de traitement anti-25 reflet d'un substrat d'AsGa à 10um par un ensemble de strates structurées dans l'AsGa. L'ensemble des strates dont le profil selon l'axe x, à y=0, est illustré en figures 10a à 10d, permet le traitement anti-reflet d'un substrat d'AsGa pour une illumination à 10pm. Les tailles de trous ne sont pas identiques, les 3o strates sont toutes réalisées dans l'AsGa. (Il est à noter que les dimensions ne sont pas à l'échelle, et que ce schéma n'a pour but que d'illustrer de façon simplifiée un profil typique de composant). Cette structure est composée de 3 strates comportant des trous d'air de taille supérieure à 100nm dans un substrat d'AsGa. La période du réseau 35 macroscopique est de 1,5pm selon l'axe x et y. La période microscopique à l'intérieur d'une cellule élémentaire est de 0,1875pm pour la strate S2. Et à partir de cette grille la période et la taille des motifs de la strate S3 sont choisies de façon à diminuer le taux de matière et ainsi synthétiser une adaptation d'indice (diminution de l'indice) d'une strate à l'autre, de la strate S2 à la strate S3 puis de la strate S3 à l'air. De même, la période et les tailles des motifs de la strate SI sont choisies pour augmenter le taux de matière de façon à augmenter l'indice effectif de la strate S2 au substrat d'AsGa. Ainsi la période de la strate S3 est de 0,375pm et celle de la strate SI est de 0,750pm. Par ailleurs, les zones de trous des strates sont choisies de façon à ce que chaque trou de la strate SI corresponde également à une absence de matière sur les strates S2 et S3. Dans ce cas précis les trous de la strate S3 sont plus ou moins alignés (mais pas forcement centrés) avec les trous de la strate S2 de façon à graver séquentiellement les trous de niveaux SI, S2 puis S3. Les périodes des trous varient ainsi que leur taille. La profondeur des strates sont h1=1,1 pm, h2=1,2pm, h3=1,5pm. Les figures 10b à 10d montrent une vue de dessus de chaque strate, la légende donnant l'indice du matériau selon les dimensions x et y (en microns).

Un exemple de procédé technologique pour ce type de composant comprend une lithographie et une gravure pour la réalisation de la strate Si. Les étapes successives de masquage se répètent pour les couches S2 puis S3. Avec un tel composant, une transmission voisine de 100% a été obtenue pour une incidence normale à la longueur d'onde nominale (Xo=10pm), la transmission est de 70%, sans traitement antireflet. Le comportement spectral de ce traitement antireflet est illustré figure 11. Cette figure donne la transmission (Intensité transmise) en fonction de la longueur d'onde (courbe 11 b). A titre de comparaison, il est reporté sur cette figure (courbe 11 a), la transmission d'un anti-reflet dit « parfait » (idéal mais qui n'existe pas dans la nature) composé d'une couche mince d'indice nAR=sqrt(nAsGa) et de hauteur hAR=Xo/(4xnAR). On observe par rapport à l'antireflet idéal une amélioration nette de la transmission sur la bande 7-14pm.35 Exemple de réalisation de réseau blazé pour une utilisation à 10um, fabriqué dans un substrat d'AsGa, implémentant un traitement anti-reflet.

A partir de la présente invention, il est également possible d'obtenir un réseau de diffraction, blazé dans l'ordre 1, c'est-à-dire permettant de dévier la lumière dans l'ordre de diffraction 1 avec une efficacité de diffraction normalisée (efficacité dans l'ordre 1 transmis divisé par la somme des efficacités de diffraction des ordres transmis) de 99%, tout en s'affranchissant des pertes par réflexion liées à l'utilisation d'un matériau d'indice élevé (dans le cas présent il s'agit d'un substrat d'AsGa, n=3,37 à 10pm). Dans une configuration non complètement optimisée, ce composant permet théoriquement d'obtenir une efficacité de diffraction brute dans l'ordre 1 de 96,6%.

Plus précisément, ce composant optique est réalisé sur un substrat d'AsGa dans lequel on distingue 3 strates structurées à différentes échelles. La figure 12a représente de façon simplifiée, le profil du composant. (Notons que les dimensions ne sont pas à l'échelle, et que ce schéma n'a pour but que d'illustrer de façon simplifiée un profil typique de composant).

L'ensemble des strates est composé de piliers, une structure équivalente peut également être synthétisée avec des trous dans les strates SI et S3 ou encore avec des trous dans les strates SI, S2 et S3. Les figures 12b, 12c, 12d représentent en vue de dessus, chaque strate SI, S2 et S3. Les dimensions sont précisées selon les axes x et y.

En strates SI et S2, la matrice est en AsGa d'indice 3,37, les motifs étant de l'air. Une période du réseau est représentée selon l'axe x (gradué en pm) et dans la direction y (gradué en pm), 5 périodes identiques sont représentées, sachant que la période à proprement dite du réseau (comme celle d'un réseau blazé à échelette) correspond à celle selon l'axe x. Sur la strate S2, les piliers ont une taille variant entre environ1,79pm et environ 2,3pm, leur hauteur est environ de 11,7pm. Plus précisément les tailles des piliers sont de gauche à droite : 1,79pm, 1,77pm, 1,78pm, 1,85pm, 1,88pm, 1,98pm, 1,96pm, 2,09pm, 2,02pm, 2,30pm.

Sur la strate SI, de hauteur 2,6pm chaque sous-période de 3pm de large est décomposée en 5 sous-sous périodes de 0,6pm. Dans ces carrés, les piliers ont une taille égale dans chaque carré de 3pm x3pm. Leur taille varie entre 0,49pm et 0,52pm d'un carré à l'autre. Plus précisément les tailles des piliers sont de gauche à droite : 0,51 pm, 0,49pm, 0,52pm, 0,52pm, 0,50pm,0,50pm, 0,50pm, 0,52pm, 0,51 pm, 0,50pm. Sur la strate S3, de hauteur 1,9pm, les gros piliers ont les mêmes tailles que les piliers de la strate S2, les plus petits ont les même taille que ceux de la strate S3.

Dans un composant similaire il est possible de dissocier les tailles des petits piliers de la strate S3 avec ceux de la strate Si. Pour la réalisation de ce type de composants, les étapes technologiques classiques peuvent être utilisées. Dans ce cas précis, la lithographie classique est utilisée pour définir les motifs M;JS2 et l'alignement des motifs M;is3 peut se faire par lithographie électronique (écriture e-beam). Les techniques de gravure sèche (RIE pour Reactive ion Etching ou ICP pour Induced coupled Plasma) sont adaptées pour le transfert des motifs dans le semiconducteur.20

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Composant optique fonctionnant dans une gamme de longueurs d'onde définie par une première longueur d'onde À1 et par une seconde longueur d'onde À2 caractérisé en ce qu'il comprend un méta-matériau réalisé dans un ou des matériaux diélectriques et/ou semi-conducteurs avec dans son épaisseur, au moins une première strate comprenant au moins une série de premiers motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques de première période Al et une seconde strate S2 comportant au moins une série de seconds motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques de seconde période A2 inférieure ou égale à environ la moitié de ladite première période AI, lesdits premiers ou seconds motifs élémentaires étant définis dans un milieu de « strate » de premier indice optique, lesdits premiers ou seconds motifs élémentaires étant constitués par un milieu de « motifs » de second indice, lesdits motifs élémentaires étant de dimensions inférieures ou égales à la première longueur d'onde divisée par le maximum du premier indice ou du second indice.
2. 2. Composant optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de strates comportant chacune au moins une série de motifs élémentaires définis à la surface desdites strates.
3. 3. Composant optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de strates comportant chacune au moins une série de motifs élémentaires définis dans l'épaisseur de ladite strate. 25
4. 4. Composant optique selon la revendication 1, caractérisé en qu'il comprend un matériau dans lequel sont définies les séries de motifs élémentaires à différentes profondeurs dudit matériau massif.
5. 5. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 4, 30 caractérisé en ce que les strates comprennent au moins une variation d'indice pouvant être un gradient d'indice effectif dans une des directions du plan dans lequel est définie une strate.20
6. 6. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le méta-matériau présente en outre au moins une variation d'indice pouvant être un gradient d'indice effectif (Gneffv) selon une direction perpendiculaire au plan des strates.
7. 7. Composant optique selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ladite seconde strate comporte des premiers motifs élémentaires périodiques ou pseudo-périodiques comportant eux-mêmes les seconds motifs élémentaires appelés sous-motifs élémentaires (M;jkis1, MijkIs2, MUkls3)-
8. 8. Composant optique selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le ou les variations ou gradients d'indice sont obtenus avec des tailles de motifs élémentaires différentes. 15
9. 9. Composant optique selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le ou les variations ou gradients d'indice sont obtenus avec des géométries différentes.
10. 10. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 9, 20 caractérisé en ce que le méta-matériau comporte des strates comprenant des motifs élémentaires inclus dans un milieu comportant des combinaisons de matériaux.
11. 11. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 10, 25 caractérisé en ce que le méta-matériau comporte des matrices dans lesquelles sont inclus les motifs élémentaires, lesdites matrices comprenant des combinaisons de matériaux, dans laquelle sont réalisés les motifs.
12. 12. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 10, 30 caractérisé en ce qu'il comprend au moins une première strate comprenant des motifs élémentaires de première période (AI) assurant une fonction antireflet et au moins une seconde strate comprenant des motifs élémentaires de seconde période (A2) assurant une fonction anti-reflet. 10
13. 13. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une première strate comprenant des motifs élémentaires de première période (AI) assurant une fonction antireflet et au moins une seconde strate comprenant des motifs élémentaires de seconde période (A2) assurant une fonction optique de type déviation ou filtrage ou masque de phase ou focalisation, sur au moins une de ses faces
14. 14. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat comprenant sur ses deux faces, un méta-matériau permettant de réaliser deux fonctions d'indice sur chacune desdites faces.15