EP1255971A1

EP1255971A1 - Filtre fabry-perot court a couches metalliques

Info

Publication number: EP1255971A1
Application number: EP01907709A
Authority: EP
Inventors: François Grasdepot; Véronique Nouaze
Original assignee: Itron Soluciones de Medida Espana SA; Schlumberger SA
Current assignee: Itron Soluciones de Medida Espana SA; Schlumberger SA
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2002-11-13
Also published as: WO2001059415A1; FR2805052A1; AU2001235612A1

Abstract

Filtre optique accordable (1) du type interféromètre de Fabry-Pérot court à couches métalliques, destiné à filtrer une radiation électromagnétique le traversant selon une direction transversale ZZ' et dont le spectre en longueur d'onde est centré sur une longueur d'onde lambda o comprenant deux plaques parallèles (2, 4; 12, 14) séparées l'une de l'autre par l'intermédiaire d'au moins un espaceur (3; 10) de tel sorte qu'il existe entre lesdites plaques un intervalle d'air (5) d'épaisseur <u>e</u> de l'ordre de lambda o. Les faces des deux plaques se trouvant en regard reçoivent respectivement une couche métallique inférieure (6) et supérieure (7). Des moyens d'accordabilité (8, 9; 10, 18, 19) destinés à modifier l'intervalle d'air <u>e</u> sont disposés entre les deux plaques pour accorder le filtre. Pour obtenir une transmission maximum Tmax supérieure à 1 % et une largeur à mi-hauteur DELTA lambda inférieure à 80 nm dans le domaine de longueur d'onde compris entre 1,55 mu m et 1,85 mu m centré sur la longueur d'onde lambda o sensiblement égale à 1,7 mu m, les couches métalliques (6, 7) sont constituées d'un métal sélectionné parmi le groupe des matériaux comprenant le Tantale et l'Or.

Description

Filtre Fabry Pérot court à couches métalliques

L'invention se rapporte à n filtre optique accordable du type interféromètre de Fabry-Pérot court à couches métalliques.

II est connu de réaliser des interféromètres de Fabry-Pérot comprenant deux couches métalliques partiellement transparentes séparées par un intervalle d'air et fabriqués par les techniques bien connues de la photolitographic, de dopage et de microusinage sur silicium. Lorsque les couches métalliques en regard l'une de l'autre, sont séparées par un intervalle d'air grand devant la longueur d'onde, il en résulte un interféromètre de Fabry-Pérot permettant d'obtenir un effet optique de type filtre passe-bande, c'est-à-dire une atténuation différentielle en fonction de la longueur d'onde de la lumière traversant les couches en regard. Les filtres passe-bandes possèdent deux g-andeurs caractéristiques importantes, la transmission maximum sur un domaine de longueurs d'onde déterminé, et la largeur à mi-hauteur définie comme la différence entre les longueurs d'onde pour lesquelles la transmission du filtre est réduite de moitié par rapport au maximum de transmission.

Par ailleurs, l'application d'une tension entre les couches métalliques permet par un effet capacitif de rapprocher ou d'éloigner les couches métalliques l'une de l'autre et donc de modifier le domaine de longueurs d'onde sur lequel la transmission est maximum, permettant ainsi d'obtenir un filtre optique passe-bande accordable.

Pour le type de filtre passe-bande comportant un intervalle d'air grand devant la longueur d'onde, l'absorption et le coefficient de réflexion des couches métalliques en regard influencent directement la transmission maximum et la largeur à mi-hauteur du filtre. En particulier, il existe des filtres à haute transmission maximum pour des couches métalliques faible réflexion, faible épaisseur et faiblement absorbante et des filtres de faible largeur à mi-hauteur pour des couches métalliques haute réflexion, forte épaisseur et à coefficients d'absorption élevés.

Cependant, lorsque les couches métalliques en regard l'une de l'autre, d'une épaisseur comprise entre 5 et 200 nm, sont séparées par un intervalle d'air de l'ordre de grandeur d'une longueur d'onde, il en résulte un interféromètre de Fabry-Pérot court. Les interféromètres de Fabry-Pérot court à couches métalliques ne suivent pas les lois énoncées précédemment, en particulier il n'existe aucune relation évidente entre les grandeurs caractéristiques et l'absorption et le coefficient de réflexion des couches métalliques. Ainsi, il est difficile de concevoir des filtres passe-bande présentant une transmission maximum acceptable, par exemple supérieure à 1 %, et une largeur à mi- hauteur faible, par exemple inférieure à l OOnm et centrés autour d'une longueur d'onde λo déterminée. En règle général, de tels filtres présentent pour une transmission maximum acceptable, une largeur à mi-hauteur trop grande, et inversement.

Le problème technique à la base de l'invention csl donc de concevoir un filtre optique accordable du type interféromètre de Fabry-Pérot court à couches métalliques, fabriqué par une technique de micro-usinage sur silicium présentant une transmission maximum acceptable, par exemple supérieure à 1 %, et une largeur à mi-hauteur faible, par exemple inférieure à 80nm, pour une longueur d'onde comprise entre l ,55μm et l ,85μm.

Ce problème est résolu selon l'invention grâce à un filtre optique accordable du type interféromètre de Fabry-Pérot court à couches métalliques, destiné à filtrer une radiation électromagnétique le traversant selon une direction transversale ZZ' et dont le spectre en longueur d'onde est centré sur une longueur d'onde λo comprenant : - deux plaques parallèles séparées l'une de l'autre par F intermédiaire d'au moins un espaceur de tel sorte qu'il existe entre lesdites plaques un intervalle d'air d'épaisseur e de l'ordre de λo,

- les faces des deux plaques, l'une inférieure (2 ; 12) et l'autre supéπeure (4 ; 14) se trouvant en regard recevant respectivement une couche métallique inférieure et supérieure, ledit filtre étant caractérisé en que pour obtenir une transmission maximum Tmax supérieure à 1% et une largeur à mi-hauteur Δλ inférieure à SOn dans le domaine de longueur d'onde compris entre 1.55μm et l,85μm centré sur la longueur d'onde λo sensiblement égale à l,7μm, les couches métalliques sont constituées d'un métal sélectionné parmi le groupe des matériaux comprenant le Tantale et l'Or. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés pour lesquels:

^• les figures A, l.B et l.C représentent différents exemples de réalisation de la structure du filtre optique accordable du type interféromètre de Fabry-Pérot court à couches métalliques selon l'invention,

• la figure 2 représente la courbe de transmission dudit filtre en fonction de la longueur d'onde pour le Tantale,

• la figure 3 représente la courbe de transmission dudit filtre en fonction de la longueur d'onde pour l'Or.

• la figure 4 représente la courbe de transmission dudit filtre en fonction de la longueur d'onde pour le Nickel.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure LA, le filtre optique accordable 1 est un interféromètre de Fabry-Pérot court à couches métalliques. Cet interféromètre joue le rôle de filtre optique passe-bande centré autour de la longueur d'onde λo. Cet interféromètre est fabriqué par les techniques bien connues de micro-usinage sur silicium. Le filtre comprend deux plaques parallèles 2, 4 séparées l'une de l'autre par l'intermédiaire d'au moins un espaceur 3. Les deux plaques parallèles sont par exemple composées de deux plaquettes de silicium ("wafer" en langue anglaise) dont l'épaisseur à été ou non réduite par une technique de gravure chimique. Il est cependant envisageable d'utiliser un autre matériau pour la réalisation de ces plaques. En règle générale tout matériau pouvant servir de substrat est convenable, on peut citer à titre d'exemple le verre, le nitrure de silicium, ou encore le III-V-InP. A titre d'exemple, les plaques inférieure 2 et supérieure 4 ont été gravées sur une surface centrale et possèdent une épaisseur égale à quelques micromètres. L'espaceur détermine l'épaisseur d'un intervalle d'air 5 existant entre les deux plaques parallèles 2, 4. L'espaceur peut être choisi de telle sorte que l'intervalle d'air 5 a une épaisseur e sensiblement égale à la longueur d'onde λo, par exemple l,7μm ± 250nm. L'espaceur 3 est par exemple constitué par un anneau en matériau isolant, tel que de l'oxyde de silicium ou du pyrex. Les faces des deux plaques se trouvant en regard reçoivent respectivement une couche métallique inférieure 6 et supérieure 7. Les couches métalliques possède une épaisseur comprise entre 5 et 200 nm.

Une connexion électrique 8, 9 est réalisée respectivement avec la plaque inférieure 2 et supérieure 4. Lorsqu'une tension Va est appliquée entre les connexions, cette tension s'applique également entre les couches métalliques 6, 7. Lorsqu'on modifie légèrement la valeur de cette tension, cela permet par un effet capacitif de rapprocher ou d'éloigner l'ensemble constitué par les plaques et les couches métalliques l'une de l'autre. La valeur moyenne de la tension appliquée est de l'ordre de 5 Volts. Ceci induit une modification du domaine de longueurs d'onde sur lequel la transmission est maximum, permettant ainsi d'obtenir un filtre optique passe-bande accordable.

Selon une deuxième variante de réalisation, représentée sur la ligure l .B, la plaque inférieure 2 a été gravée sur une surface centrale et possède une épaisseur égale à quelques micromètres. La plaque supérieure qui possède une épaisseur de l'ordre de 300μm a été gravée et percée sur une petite surface afin de pouvoir établir une connexion électrique 8 directement avec la couche métallique inférieure 6, de telle sorte que les deux connexions soient accessible par une seule des faces du filtre optique.

Selon un troisième mode de réalisation de l'invention représente sur la figure 1 C, le filtre optique comprend deux plaques parallèles 12, 14 séparées l'une de l'autre par l'intermédiaire d'au moins un espaceur 10. Les deux plaques parallèles sont par exemple composées de deux plaquettes de silicium d'une épaisseur comprise entre quelques micromètres et plusieurs centaines de micromètres, par exemple entre lμm et 300μm. Les surfaces centrales des deux plaques 12, 14 se trouvant en regard reçoivent respectivement une couche métallique inférieure 6 et supérieure 7. Les couches métalliques possèdent une épaisseur comprise entre 5 et 200 nm. L'espaceur 10 détermine l'épaisseur d'un intervalle d'air 5 existant entre les deux plaques parallèles 12, 14. L'espaceur peut être choisi de telle sorte que l'intervalle d'air 5 a une épaisseur e sensiblement égale à la longueur d'onde λo, par exemple L7μm. L'espaceur 10 est par exemple un anneau en matériau piézoélectrique, et comporte deux faces métallisées , 19 entre lesquelles est appliquée une tension Va. Lorsqu'on modifie légèrement la valeur de cette tension, cela permet par un effet piézoélectrique au niveau de l'espaceur 10 de rapprocher ou d'éloigner l'ensemble constitué par les plaques et les couches métalliques l'une de l'autre, et donc de modifier l'épaisseur e de l'intervalle d'air 5. La valeur moyenne de la tension appliquée est de l'ordre de 5 Volts. Ceci induit une modification du domaine de longueurs d'onde sur lequel la transmission est maximum, permettant ainsi d'obtenir un filtre optique passe-bande accordable.

La Demanderesse a constaté un avantage important et inattendu lorsque le choix du matériaux constituant la couche métallique utilisé pour l'ensemble des modes de réalisation décrits précédemment se porte sur le Tantale ou l'Or. A titre de comparaison, le choix d'un métal tel que le Nickel, le Platine ou tout autre métal, ne donne pas lieu à de tels résultats.

Le tableau suivant donne les grandeurs caractéristiques du filtre optique, la transmission maximum Tmax et la largeur à mi-hauteur Δλ, pour un intervalle d'air de 1 ,7 μm et des couches métalliques d'une épaisseur de 25 nm :

Les courbes de transmission en fonction de la longueur d'onde sont représentées sur la figure 2 pour le Tantale et la figure 3 pour l'Or.

Par comparaison, l'utilisation de matériaux différents du Tantale ou de l'Or donne des résultats médiocre (intervalle d'air de 1,7 μm et épaisseur des couches métalliques de 25 nm) :

La courbe de transmission en fonction de la longueur d'onde pour le Nickel est représentée sur la figure 4.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Filtre optique accordable (1) du type interféromètre de Fabry-Pérot court à couches métalliques, destiné à filtrer une radiation électromagnétique le traversant selon une direction transversale ZZ' et dont le spectre en longueur d'onde est centré sur une longueur d'onde λo comprenant :

- deux plaques parallèles (2, 4 ; 12, 14) séparées l'une de l'autre par l'intermédiaire d'au moins un espaceur (3 ; 10) de tel sorte qu'il existe entre lesdites plaques un intervalle d'air (5) d'épaisseur e de l'ordre de la longueur d'onde λo, - les faces des deux plaques, l'une inférieure (2 ; 12) et l'autre supérieure (4 ; 14) se trouvant en regard recevant respectivement une couche métallique inférieure (6) et supérieure (7), ledit filtre étant caractérisé en ce que pour obtenir une transmission maximum Tmax supérieure à 1 % et une largeur à mi-hauteur Δλ inférieure à SOnm dans le domaine de longueur d'onde compris entre l ,55μm et l ,85μm centré sur la longueur d'onde λo sensiblement égale à l ,7μm, les couches métalliques (6, 7) sont constituées d'un métal sélectionné panni le groupe des matériaux comprenant le Tantale et l'Or.

2. Filtre optique accordable selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chacune des couches métalliques (6, 7) a une épaisseur comprise entre 5 cl 200 nm.

3. Filtre optique accordable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (2, 4 ; 12, 14) ont une épaisseur comprise entre l μm et 300 μm.

4. Filtre optique accordable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espaceur (3) est constitué par un matériau isolant.

5. Filtre optique accordable selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que pour modifier l'épaisseur de l'intervalle d'air e existant entre les deux plaques, chaque plaque (2, 4) comporte une connexion électrique (8, 9) entre lesquelles est appliquée une tension Va.

6. Filtre optique accordable selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que pour modifier l'épaisseur de l'intervalle d'air e existant entre les deux plaques, la plaque supérieure (4) comporte une connexion électrique (9) et a été gravée et percée sur une petite surface afin de pouvoir établir une connexion électrique (8) directement avec la

5 couche métallique inférieure (6) disposée sur la plaque inférieure (2).

7. Filtre optique accordable selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'espaceur (10) est constitué par un matériau piézoélectrique.

0 8. Filtre optique accordable selon la revendication 1 ou 7, caractérisé en ce que pour modifier l'épaisseur de l'intervalle d'air e existant entre les deux plaques ( 12, 14), l'espaceur ( 10) comporte deux faces métallisées ( 18, 1 ) entre lesquelles est appliquée une tension Va.

! 5 9. Filtre optique accordable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (2, 4 ; 12, 14) sont constituées par un matériau choisi parmi le groupe des matériaux comportant le silicium, le nitrure de silicium, le verre ou le III- V-InP.