Incidence oblique (6°)

Filtrage ultra-sélectif obtenu en incidence normale indépendamment de la polarisation
Olga Boyko, Fabien Lemarchand, Anne Talneau, Anne-Laure Fehrembach et Anne Sentenac
LPN
Institut Fresnel
Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
http://www.fresnel.fr/perso/foreac/
• Objectif:
• réaliser des filtres performants à 1550nm, présentant une largeur spectrale de l'ordre du dixième de nanomètre, fonctionnant en incidence oblique, indépendamment de la polarisation
• démontrer l'intérêt des réseaux résonnants pour atteindre ces performances ultimes et ouvrir une nouvelle voie au filtrage optique en espace libre, habituellement réalisé avec des FabryPérot.
réseau résonnant: structure hybride composée d'un empilement diélectrique ( rôle de guide d'onde plan) + structuration périodique sublongueur d'onde ( rôles de réseau coupleur et de cristal photonique)
•peu de réalisations expérimentales, et uniquement pour des filtres fonctionnant en incidence normale, avec une faible tolérance angulaire
• existence de solutions théoriques permettant d'atteindre l'objectif, mais avec des structurations périodiques complexes,
à la limite des performances technologiques actuelles
Choix des épaisseurs de l’empilement (3 couches: anti-reflet, modes guidés)
Matériaux: SiO2 / Ta2O5 à 1550 nm
Choix du motif en fonction des propriétés désirées
CONCEPTION de filtres répondant aux contraintes énoncées (méthode numérique rigoureuse: méthode modale de Fourier)
Idée générale: excitation de 2 modes guidés pour chaque polarisation  obtenir un point d’intersection des relations de dispersion pour une l et un Q donné
Profondeur des
trous: 220nm
Incidence oblique (6°)
Tolérance angulaire optimisée
347nm
1
air
0.8
0.8
0.6
0.6
170 nm
0.4
0.4
0.2
0.2
257nm
0
Incidence normale
Incidence oblique
Rs
Rp
R
R
SiO2
1
Rs
Rp
880 nm
FABRICATION des filtres conçus: lithographie électronique
1.5266
1.5268
1.527
1.5272
1.5274
1.5276
0
5.45
5.5
l (µm)
5.55
5.6
q (°)
5.65
5.7
5.75
5.8
SiO2 gravé
PMMA développé
trous de différents taille + composants larges ( 1 mm de côté)  processus de fabrication délicat
Dépôt PMMA  Ecriture e-beam  Leica EBPG5HR-100kEv  Développement PMMA
 Gravure SiO2
CARACTERISATION optique et géométrique des composants fabriqués à 1550nm
Incidence normale
Incidence oblique
Observations :
forme des profils spectral et angulaire conforme à celle attendue largeurs angulaires et spectrales multipliées par deux par rapport à la théorie transmission à la résonance de 18% (inc.
normale) et de 50% (inc. oblique) au lieu de 0 en théorie
causes possibles: divergence du faisceau (tolérance angulaire faible), pertes par diffusion (inhomogénéité des trous)
longueur d’onde de centrage décalée
incertitude de mesure sur les indices et les épaisseurs des couches de ± 1% ; incertitude de 10nm sur la longueur d’onde de centrage
différence entre les diamètres des trous mesurés et demandés de l’ordre de 10nm
quasiment aucune influence sur les propriétés du filtre
Bibliographie:
F. Lemarchand, A. Sentenac, and H. Giovannini, Opt. Lett, 23, 1149, (1998)
A.-L. Fehrembach and A. Sentenac Appl. Phys. Lett., 86, 121105, (2005)
A.-L. Fehrembach, A. Talneau, O. Boyko, F. Lemarchand and A. Sentenac Opt. Lett., 32, 2269, (2007)
O. Boyko, F. Lemarchand, A. Talneau, A.-L. Fehrembach,and A. Sentenac, « Ultra-sharp polarization-independent optical resonances in dielectric gratings at oblique incidence » soumis octobre 2007