ES2610906T3 - Filtro espectral de ancho de banda con fuerte selectividad y polarización controlada - Google Patents

Abstract

Filtro espectral de ancho de banda (100), optimizado para la transmisión de una onda incidente con al menos una primera longitud de onda central λ0 dada, caracterizado porque comprende. - una red metálica (101) de espesor (t) superior a alrededor de λ0 /50 y que comprende al menos un primer conjunto de hendiduras sensiblemente idénticas, paralelas, de anchura (w) inferior a alrededor de λ0 /10, espaciadas de manera periódica o casi periódica según un primer periodo (d, d1) inferior a la citada primera longitud de onda central, - una capa de material dieléctrico (102) de espesor (h) e índice de refracción (ng) dados, acoplado con la red metálica para formar una guía de ondas de las ondas difractadas por la red, estando adaptado el primer periodo de la red para que solo las órdenes 0 y +/- 1 de una onda con incidencia normal y longitud de onda λ0 sean difractadas en la capa de material dieléctrico y estando suspendida la red en un fluido de índice de refracción próximo a 1.

Description

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DESCRIPCION

Filtro espectral de ancho de banda con fuerte selectividad y polarizacion controlada Campo de la tecnica del invento

El presente invento se refiere a un filtro espectral con fuerte selectividad y polarizacion controlada, especialmente para la realizacion de filtros en infrarrojo.

Estado de la tecnica.

Una tecnica clasica conocida para realizar una funcion de filtrado de ancho de banda consiste en amontonar capas finas, poniendo cuidado e elegir el numero, los espesores de las capas y la naturaleza de los materiales en funcion del umbral deseado para el filtro. La solicitud de patente WO2008122431 describe, por ejemplo, tal filtro, llamado filtro interferencial. Sin embargo, desde el momento en el que se hace intervenir a un gran numero de finas capas, estos componentes presentan una fragilidad desde el momento en el que estan sometidos a unos ciclos de variaciones de temperatura, por ejemplo, cuando estan dispuestos en un criostato, especialmente para las aplicaciones en el infrarrojo. En efecto, estos ciclos conducen a una destruccion de la estructura debido a los coeficientes de dilatacion termica que, difieren de un material a otro y en consecuencia de una capa a otra, induciendo problemas. Ademas, un filtro que funciona en el infrarrojo necesitara capas mas gruesas que un filtro que funciona en el visible, y muy rapidamente, se encontrara enfrentandose a dificultades tecnologicas relacionadas con el espesor, dificultades agravadas durante la realizacion de las matrices de los filtros por lo que habra que hacer variar los espesores de un filtro a otro.

Por otra parte, para algunas aplicaciones, especialmente para la deteccion termica, , puede ser interesante poder analizar la polarizacion de la onda incidente para distinguir el tipo de objeto detectado. Los componentes basados en la tecnologfa del apilado de capas finas no permiten una selectividad en funcion de la polarizacion.

Es conocido igualmente el asociar a una fina capa una red electrica (vease por ejemplo la solicitud de patente US5726805). Esta tecnica presenta la ventaja de no utilizar nada mas que una sola capa pero un filtro realizado mediante esta tecnologfa no puede nada mas que cortar una banda cuando se utiliza en transmision.

El documento WO2007/118895 describe un filtro espectral que comprende una capa metalica estructurada realizada mediante unas hendiduras que actuan como cavidades resonantes. La capa metalica esta envuelta en unas capas de material dielectrico por razones mecanicas relacionadas con el procedimiento de fabricacion, estando depositada al mismo tiempo sobre una capa soporte.

Un objeto del invento consiste en proponer un filtro espectral, de ancho de banda cuando se utiliza en transmision, que presente una fuerte selectividad en longitud de onda permitiendo al mismo tiempo un control de la polarizacion.

Resumen del invento.

Segun un primer aspecto, el invento se refiere a un filtro espectral de ancho de banda, optimizado para la transmision de una onda incidente con al menos una primera longitud de de onda central Ao dada, que comprende una red metalica de espesor superior a unos Ao /50 y que comprende al menos un primer conjunto de hendiduras sensiblemente identicas, paralelas de anchura inferior a unos Ao /10, separadas de manera periodica o casi periodica segun un primer periodo inferior a la citada primera longitud de onda central, y que comprende ademas una capa de material dielectrico de espesor e mdice de refraccion dado, acoplado con la red metalica para formar una grna de onda de las ondas difractadas por la red, estando adaptado el primer periodo de la red para que solo las ordenes 0 y +/- 1de una onda con incidencia normal y longitud de onda Ao sean difractadas en la capa de material dielectrico, estando suspendido el conjunto capa dielectrica y red en un fluido con un mdice de refraccion proximo a 1.

Segun una primera variante, la red metalica tiene una dimension con un solo conjunto de hendiduras paralelas, formando un filtro de ancho de banda polarizante.

Segun una segunda variante, la red metalica tiene dos dimensiones, comprendiendo ademas un segundo conjunto de hendiduras, sensiblemente identicas, paralelas, separadas de manera periodica o casi periodica segun un segundo periodo, estando situadas las hendiduras del segundo conjunto segun una direccion diferente de la de las hendiduras del primer conjunto.

Segun un ejemplo de la segunda variante, la anchura de las hendiduras del segundo conjunto de hendiduras es sensiblemente identica a la de las hendiduras del primer conjunto de hendiduras y los dos periodos son identicos. Cuando las hendiduras de los dos conjuntos de hendiduras son perpendiculares, el filtro asf realizado es estrictamente no polarizante.

Segun otro ejemplo de la segunda variante, los dos periodos son diferentes y el filtro esta optimizado por el filtrado de una onda incidente con al menos una primera y una segunda longitudes de onda centrales Aoi y A02 : los primero y segundo periodos son inferiores a las primera y segunda longitudes de onda respectivamente, y el periodo segun cada una de las dimensiones esta adaptado para que solo las ordenes 0 y 1 de una onda con incidencia normal y

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longitud de onda A01 o A02 respectivamente sean difractadas en la capa de material dielectrico. El filtro as^ obtenido es polarizante y la longitud de onda filtrada depende de la polarizacion.

Segun una tercera variante, la red metalica tiene dos dimensiones, comprendiendo una pluralidad de conjuntos de hendiduras, sensiblemente identicas, paralelas, separadas de manera periodica o casi periodica, estando situadas las hendiduras de cada uno de los conjuntos de hendiduras segun direcciones diferentes para formar un motivo repetido segun dos direcciones, siendo, por ejemplo hexagonal o en forma de paralelogramo.

Segun una u otra de las variantes, la capa de material dielectrico puede ser estructurada segun un motivo sensiblemente similar al formado entre las hendiduras de la red.

El espesor de la capa dielectrica puede ser lo suficientemente fino como para no dejar nada mas que un solo modo guiado en la capa dielectrica con la citada al menos una longitud de onda central.

Alternativamente, el espesor de la capa dielectrica es lo suficientemente grueso como para permitir la propagacion de varios modos guiados en la capa dielectrica, permitiendo la realizacion de un filtro que presenta varias longitudes de onda centrales de transmision.

Segun un ejemplo, el material que forma la capa dielectrica comprende uno de los materiales elegidos entre el nitruro de silicio, el carburo de silicio, el oxido de silicio, el fluoruro de itrio, el sulfuro de zinc, el oxido de aluminio o de magnesio.

Segun un ejemplo, el material que forma la red comprende uno de los materiales elegidos entre el oro, el aluminio, el cobre, el tungsteno, el mquel, el platino la plata.

Segun un ejemplo, la longitud de onda central esta comprendida entre sensiblemente 0,850pm y 30pm.

Segun una variante, el filtro espectral comprende ademas un substrato, estando suspendido el conjunto capa dielectrica y red metalica en el penmetro de un orificio formado en el citado substrato.

Segun un segundo aspecto, el invento se refiere a una matriz espectral que comprende un conjunto de filtros espectrales segun rel primer aspecto, estando acopladas las redes de los citados filtros con la misma capa de material dielectrico, estando suspendido el conjunto capa dielectrica y redes metalicas en el penmetro de un orificio formado en un mismo substrato.

Segun un tercer aspecto, el invento se refiere a un sistema optronico de deteccion proximo al infrarrojo o en infrarrojo que comprende un detector y un filtro espectral segun el primer aspecto o una matriz multiespectral segun el segundo aspecto.

Segun una variante, el sistema optronico de deteccion comprende ademas un polarizador que permite polarizar una onda incidente segun una direccion paralela a una de las direcciones de las hendiduras de las o al menos una de la(s) red(es) electrica(s).

Segun un cuarto aspecto, el invento se refiere a un metodo de fabricacion de un dispositivo de filtrado segun el primero o el segundo aspecto, que comprende:

- el deposito sobre una de las capas de un substrato de una capa de sflice y sobre la otra cara del substrato de una capa fina de dielectrico para formar la grna de onda,

- el deposito de la(s) red(es) metalica(s) sobre la citada capa de material dielectrico segun un motivo dado,

- la grabacion con sflice en la cara trasera del substrato segun un motivo definido por litograffa UV o electronica, alineado con el motivo de la(s) red(es) electrica(s) formada(s) en la cara delantera, y a continuacion la grabacion del substrato con silicio en ambas caras, segun el motivo anterior, con el fin de obtener una membrana suspendida formada por la capa de dielectrico y por la(s) red(es).

Segun una primera variante, el deposito de la(s) red(es) metalica(s) se obtiene por litograffa UV o por electronica.

Segun una segunda variante, el deposito de la(s) red(es) metalica(s) se obtiene por nabo-impresion.

Cuando la capa de material dielectrico es estructurada, la grabacion de la citada capa puede obtenerse igualmente por litograffa Uv o por electronica, o por nano-impresion.

Breve descripcion de los dibujos.

Otras ventajas y caractensticas del invento apareceran con la lectura de l descripcion, ilustrada con las siguientes figuras:

Figuras 1A y 1B, un esquema que ilustra el principio de un filtro de ancho de banda segun el invento y una variante de tal filtro;

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Figuras 2A a 2C, tres ejemplos de realizacion de un filtro de ancho de banda segun el invento;

Figura 3, unas curvas que muestran la respuesta espectral calculada para un filtro de ancho de banda del tipo de la figura 2A, para diferentes valores del periodo y dela anchura de las hendiduras;

Figuras 4A, 4B de los ejemplos de utilizacion de un filtro de ancho de banda del tipo de la figura 2C;

Figuras 5A, 5B de unos ejemplos de redes de dos dimensiones que presentan unos motivos respectivamente hexagonales y en forma de paralelogramo;

Figura 6, un esquema de un ejemplo de matriz multiespectral que comprende una pluralidad de filtros de ancho de banda segun el invento;

Figura 7, un esquema que muestra una disposicion de las redes en un ejemplo de matriz multiespectral;

Figura 8, un esquema que muestra un sistema de deteccion optronica que integra un filtro espectral segun el invento:

Descripcion detallada

La figura 1A ilustra mediante un esquema el principio de un ejemplo de filtro de ancho de banda 100 segun el invento (visto en corte) mientras que las figuras 2a a 2c representan vistas en perspectiva de diferentes ejemplos de realizacion. El filtro 100 comprende una fina capa 102 de material dielectrico sobre la que esta depositada una pelmula metalica 101 perforada periodicamente, en una o varias direcciones, con un motivo 103 sub-longitud de onda, estando suspendido al mismo tiempo, es decir no depositado sobre un substrato salvo en unas zonas en las que no se busca la funcionalidad del filtrado espectral. Por ejemplo, el conjunto pelmula y capa dielectrica esta suspendido en el penmetro de un orificio formado en un substrato (no representado en la figura 1A). Durante la utilizacion, la estructura esta por lo tanto sumergida en el medio ambiente (vacio o cualquier fluido). La capa 102 es de material dielectrico transparente en la banda espectral en la que se busca transmitir, por ejemplo de nitruro de silicio o de carburo de silicio. Se pueden utilizar otros materiales como por ejemplo el oxido de silicio, el fluoruro de itrio, el sulfuro de zinc, el oxido de aluminio o de magnesio. La pelmula metalica es por ejemplo de oro, de aluminio, de cobre, de tungsteno, de mquel, de platino o de plata, pudiendo hacerse la eleccion del metal con el fin de minimizar la absorcion en la gama espectral de utilizacion. El motivo elemental 103 que se repite de manera periodica o casi periodica (es decir con un periodo de variacion lenta) puede comprender una o varias hendiduras estrechas que se estiran a ambos lados del motivo. La red puede comprender un conjunto de hendiduras paralelas (es el caso por ejemplo de la figura 2A) o dos o mas conjuntos de hendiduras paralelas (es el caso por ejemplo de las figuras 2B y 2C para dos conjuntos de hendiduras).

El principio del filtro se basa en el confinamiento de una onda incidente 1 (figura 1A) en la capa dielectrica 102 que sirve de grna de onda, a continuacion en su transmision al espacio de salida (onda de salida referenciada con un 7 en la figura 1A). El atrape y a continuacion la transmision se obtienen gracias a la estructura difractante metalica 101 depositada sobre una de las caras de la grna de onda 102, estando por otra parte la citada estructura adaptada para el control de la polarizacion como sera descrito a continuacion. De una manera mas precisa, los fotones incidentes (simbolizados con la flecha 1) son transmitidos en la capa 102 de material dielectrico por difraccion a traves de la red metalica 101.Esta difraccion puede hacerse con la orden 0+/-1, etc. Los depositantes han mostrado que al elegir los parametros optogeometricos de la estructura difractante de tal manera que en la gama espectral del filtro, solo las ordenes 0 y +/- 1 de una onda de incidencia normal sean difractados, se podfa obtener una excelente selectividad. En efecto, mientras que los fotones difractados con la orden 0 (simbolizados con la flecha 2), con una incidencia normal con respecto al plano de grna de la onda, son transmitidos parcialmente fuera de la capa dielectrica (flecha 7) y reflejados parcialmente siempre con una incidencia normal (6, 8) para ser difractados nuevamente bajo la red (flechas 9, 10), las ordenes +/- 1(indicadas por las flechas 3, 4) son guiadas en la capa 102, especialmente por reflexion total (flecha 5), y no pueden vonver a salir mas que por difraccion bajo la red (flechas 11, 12). Gracias a las interferencias constructivas de los fotones emergentes 7, apareceran picos de transmision para ciertas longitudes de onda. Tfpicamente, para limitar la difraccion y la propagacion de las ordenes 0 y +/- 1, el periodo d de la estructura difractante puede elegirse de tal manera que d<A0<ng d, en donde A0 es la longitud de onda central de lavanda espectral que se trata de filtrar, tfpicamente entre 0,850 pm y 30pm para las aplicaciones en el infrarrojo cercano e infrarrojo, y ng es el mdice del material dielectrico medido en esta longitud de onda. Por otra parte, al estar suspendido el conjunto red metalica y capa dielectrica, es decir emergido en su utilizacion en el medio ambiente, por ejemplo en el vacio o en otro fluido con un mdice proximo al 1, la eleccion del material dielectrico para obtener la condicion de reflexion total en el interfaz dielectrico /medio ambiente se facilita y las reflexiones parasitas relacionadas con la presencia de un substrato eliminadas, permitiendo hacer maximo el flujo luminoso emitido en el espacio libre.

Segun una variante ilustrada por ejemplo en la figura 1B, la capa de material dielectrico puede ser estructurada segun un motivo similar al de las hendiduras que forman la red (por un lado y por otro de la capa de dielectrico). Los depositantes han demostrado que se obtema una eficacia creciente.

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Los depositantes han demostrado por otra parte que al elegir a la vez un espesor de la red metalica suficientemente grande y unas hendiduras suficientemente estrechas, solo la polarizacion TM (campo magnetico paralelo a las hendiduras) pod^a ser transmitida en la fina capa y despues en el espacio libre, permitiendo un perfecto control de la polarizacion una vez ajustada la orientacion de los conjuntos de las hendiduras paralelas. Tfpicamente, eligiendo un espesor t de la red tal que t>Ao /50 y una anchura w de las hendiduras tal que w< Ao /10. Los depositantes han demostrado que se podfa obtener una transmision polarizada TE residual (campo electrico paralelo a las hendiduras) inferior a 5% de la luz incidente en un dispositivo de filtrado de ancho de banda tal como el descrito anteriormente.

Ventajosamente, el espesor t de la red es elegido inferior a A0 /10 para evitar posibles fenomenos de resonancias verticales en las hendiduras de la red que tendnan un efecto perturbador en la transmision global del filtro.

Las figuras 2A a 2C representan tres ejemplos de instalacion para obtener filtros de ancho de banda con polarizacion controlada.

La estructura de la figura 2A se llama “configuracion con una dimension polarizante”. Es este ejemplo, la estructura difractante metalica esta formada por un conjunto de hendiduras paralelas muy finas, que permiten polarizar la onda transmitida en modo TM. De esta manera, para una onda incidente policromatica y no polarizada, formada por una combinacion de fotones incidentes polarizados TM (campo magnetico perpendicular al plano de corte de la figura) y de fotones polarizados TE (campo electrico perpendicular al plano de corte de la figura), solo los fotones polarizados TM con la longitud de onda central A0 son transmitidos por el filtro. Esta configuracion puede permitir ademas de la funcion de filtrado, un analisis de la polarizacion de la onda incidente, por ejemplo previendo unos medios de rotacion del filtro o disponiendo de un conjunto de filtros que representan unas redes cuyos hendiduras no estan orientadas en la misma direccion, por ejemplo bajo la forma de una matriz multiespectral tal como sera descrita a continuacion. Si la onda incidente comprende una componente con una polarizacion lineal mayoritaria, lo que es el caso por ejemplo de una radiacion infrarroja emitida o reflejada por un objeto artificial (del tipo de un vehuculo o un edificio, por ejemplo), la senal medida a la salida del filtro sera variable con la posicion del filtro o segun el filtro en el caso de una matriz multiespectral. Si la onda incidente esta simplemente no polarizada (tfpicamente el caso de una radiacion infrarroja emitida por un objeto natural, tipo vegetacion), la senal a la salida del filtro sera constante cualquiera que sea la posicion del filtro o cualquiera que sea el filtro en el caso de una matriz multiespectral. Por lo tanto asf es posible hacer el analisis de la polarizacion de una escena.

Segun una variante, las hendiduras estan espaciadas de manera casi periodica, es decir con un periodo de variacion lenta. En efecto, parece que la funcion de filtrado es eficaz cuando el numero de repeticiones de las hendiduras es al menos igual al factor de calidad del filtro, definido como la relacion entre la longitud de onda central de transmision y la anchura espectral a media altura. Asf tfpicamente, para un filtro adaptado a la transmision a 6pm y con una anchura espectral a media altura de 0,2 pm, se tratara de disponer segun la direccion de periodicidad de al menos treinta hendiduras. Los depositantes han demostrado que si el periodo vana lentamente, es decir con un valor inferior sensiblemente a la anchura espectral a media altura para un numero de hendiduras sensiblemente igual al factor de calidad, se podfa conservar la funcion de filtrado haciendo correr al mismo tiempo la longitud de onda de transmision. Por ejemplo, la variacion del periodo puede ser una funcion lineal de la distancia, segun la direccion de periodicidad del motivo. Entonces es posible realizar por ejemplo para una funcion de espectro-reproductor de imagenes, un filtro cuya longitud de onda de transmision A0 vane continuamente de un extremo a otro del filtro, cubriendo toda una gama espectral.

La estructura de la figura 2B se llama “configuracion con dos direcciones no polarizantes”. En este ejemplo, por el contrario, el filtro de ancho de banda se ha hecho puramente no polarizante gracias a una estructura difractante perfectamente simetrica. De esta manera, los fotones incidentes con la longitud de onda A0 son transmitidos cualquiera que sea su polarizacion. Como consecuencia, las hendiduras de la estructura difractante estan cruzadas, formando dos conjuntos de hendiduras dispuestas segun dos direcciones ventajosamente perpendiculares, y el periodo es identico segun las dos direcciones. La insensibilidad con la polarizacion en este ejemplo resulta como anteriormente delas condiciones de espesor de la red metalica y de la finura de las hendiduras, permitiendo en cada una de las direcciones, un perfecto control de la polarizacion. Tal estructura permite especialmente transmitir la casi totalidad del flujo incidente, lo que puede ser un parametro importante en el caso de una aplicacion a la deteccion, cuando se busca devolver la senal de deteccion maxima.

La estructura de la figura 2C se llama “configuracion con dos dimensiones polarizantes”. Como en el ejemplo de la figura 2B, las hendiduras estan cruzadas y las condiciones de espesor de la red y de finura de las hendiduras son respetadas para tener segun cada una de las direcciones un perfecto control de la polarizacion. En este ejemplo sin embargo, los periodos segun una y otra de las direcciones son diferentes (respectivamente d1 y d2) permitiendo una funcion de filtrado segun dos bandas espectrales respectivamente centradas en dos longitudes de onda A01 y A02 distintas. De esta manera, el filtro obtenido es polarizante y la longitud de onda filtrada depende de la polarizacion. En efecto, solo los fotones incidentes polarizados TM (campo magnetico perpendicular al plano de corte de la figura) y que presentan una longitud de onda proxima a A01 seran transmitidos por el filtro asf como los fotones incidentes polarizados TE (campo electrico perpendicular al plano de corte de la figura) y que presentan una longitud de onda proxima a A02. Un filtrado ajustable en longitud de onda puede realizarse por ejemplo seleccionando la polarizacion

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de la onda incidente, como sera descrito a continuacion. Igualmente son posibles aplicaciones de analisis de la polarizacion como las descritas en el caso de un filtro con una dimension polarizante.

La figura 3 ilustra las respuestas espectrales en transmision de un filtro del tipo de la figura 2A, calculada para diferentes valores del periodo d y de la anchura de las hendiduras w. El filtro esta formado por un gma de onda de espesor h y de mdice optico ng supuesto igual a 2 sobre el cual esta depositada y perforada periodicamente segun una sola direccion de las hendiduras, una pelmula metalica de mdice optico igual al del oro (vease “Handbooks of optical constants of solids”, ED Palik, 1985). Los calculos se han efectuado utilizando la logica del Reticolo, desarrollada por J. P. Hugonin y P. Lalanne (“Reticolo software for grating analysis”, Institut d'Optique, Orsay, France (2005)), y basado en la teona de las ondas acopladas (o RCWA segun la abreviatura de la expresion anglosajona “Rigorous Coupled Wave Analysis”). La figura 3 presenta tres espectros de transmision, referenciados respectivamente 301, 302 y 303, calculados con una incidencia normal en polarizacion TM para unas longitudes de onda incidentes que vanan entre 3 pm y 12pm , para tres estructuras de geometna diferentes. El espesor de la capa fina de dielectrico es h = 1,3 pm y el espesor de la red t = 0,2 pm para las tres geometnas. El motivo elemental esta formado por una hendidura de anchura w igual a 0, 25 pm, 0, 3 pm y 0,35 pm respectivamente para las curvas 301,

302 y 303. El periodo de repeticion del motivo es d =4 pm, 4,5 pm y 5 pm respectivamente para las curvas 301, 302 y 303. Las simulaciones muestran un valor de transmision proximo a 0,7 con una longitud de onda central, correspondiente al valor de la longitud de onda para la cual la transmision es maxima, que se desplaza de 6,225 pm (curva 301), a 6,725 pm (curva 302) y a 7,055 pm (curva 303), La anchura del pico a media altura vana de 140 nm (curva 301), a 185 nm (curva 302) y a 230 (curva 303). Con referencia a la figura 1A y a la descripcion del principio ffsico, se puede explicar el alcance de estos espectros dividiendo la banda espectral en una escala con tres zonas (zona 1, zona 2a, zona 2b). En la figura 3, la escala superior corresponde a la curva 301, (d=4 pm, w= 0,25 pm), la escala de en medio corresponde a la curva 302 (d= 4,5 pm, w= 0,3 pm), y la escala inferior corresponde a la curva

303 (d= 5 pm, w= 0,35 pm). La zona 1 corresponde a la zona de las longitudes de onda inferiores al periodo (A<d) . Para esta zona, la estructura difracta varios ordenes y la intensidad en el orden 0 es debil. La zona 2 se sub-divide en dos zonas, (zona 2a y zona 2b) a ambos lados de una longitud de onda critica Ac, cuya expresion esta dada por la ley de las redes. Con una incidencia normal, Ac = ng d, en donde ng es el mdice del material dielectrico que forma la gma de onda (para los calculos de redes vease por ejemplo J.D. Jackson, “Electrodynamique classique- 3a edicion , Dunod (2001)). En la zona 2a (A<Ac) la red difracta en el dielectrico las ordenes 0 y +/- 1, Como ya se ha explicado en referencia a la figura 1A, las ondas difractadas segun el orden +/-1 son guiadas y no salen de la gma nada mas que con la condicion se ser de nuevo con incidencia normal. Esto se produce durante la difraccion con reflexion bajo la red. Para ciertas longitudes de onda, las ondas interfieren constructivamente formando asf el pico de transmision a la longitud de onda central A0 donde se demuestra que esta fuertemente ligada con el periodo de la red. En la zona 2b (A>Ac), no hay difraccion en la gma de onda nada mas que de orden 0. No hay pues atrape para la gma de onda, impidiendo una transmision importante.

En el ejemplo de la figura 3, el espesor y el mdice de la capa dielectrica son tales que no hay nada mas que un solo modo guiado en la zona espectral del filtro, permitiendo una muy buena selectividad alrededor de una longitud de onda central unica. Esta propiedad se verifica si se verifica la condicion:

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en donde h es el espesor de la capa de dielectrico, ng el mdice de la gma y next el mdice de refraccion del medio ambiente. Esto da como resultado una respuesta espectral en transmision que presenta un solo pico.

Al aumentar el espesor de la capa de dielectrico, se permite por el contrario la propagacion de varios modos guiados y como consecuencia la posibilidad de varios picos de transmision.

En el ejemplo que acabamos de describir, debido al espesor de la red metalica y a la finura de las hendiduras, solo puede transmitirse la polarizacion TM. Por otra parte, el atrape en la gma en tal estructura es particularmente eficaz debido a la naturaleza metalica de la red y a la finura de las hendiduras. La polarizacion TE es en lo que a ella se refiere mayoritariamente reflejada cualquiera que sea la longitud de onda. Estos espectros pueden ser generalizados a una onda incidente no polarizada para una estructura que tiene las hendiduras cruzadas (“configuracion con dos direcciones no polarizadas” del tipo de la figura 2B). Las diferentes geometnas pueden combinarse en una o en otra direccion del plano de la estructura para obtener una configuracion con dos dimensiones polarizantes (figura 2C). De esta manera, el depositante ha demostrado que las propiedades de los fotones atrapados en la gma (longitud de onda, polarizacion) estan relacionadas directamente con los parametros optogeometricos de la estructura tales como el espesor y la naturaleza de la pelmula metalica, la forma, la dimension de la periodicidad de las caractensticas, el espesor y la naturaleza de la gma de onda. Las caractensticas espectrales del filtro de ancho de banda segun el invento pueden pues ser ajustadas haciendo variar los parametros anteriores.

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Las curvas calculadas en el ejemplo descrito en la figura 3 hacen la hipotesis de una onda incidente con incidencia normal. Segun una variante, es posible trabajar con una incidencia no nula, lo que tendra como efecto desplazar el pico de transmision si el angulo de incidencia definido con respecto a la normal del plano dela red permanece pequeno, no siendo ya las condiciones de interferencia constructivas, las mismas. Si el angulo de incidencia aumenta, se observara un desdoblamiento del pico de transmision, en detrimento de la selectividad del filtro.

Las figuras 4A y 4B muestran un ejemplo de aplicacion de un filtro de ancho de banda del tipo de la figura 2C. Se trata de un dispositivo de filtrado que comprende un filtro de ancho de banda 100 del tipo de la figura 2C, es decir una configuracion con dos direcciones polarizantes, estando dispuestas las hendiduras segun una primera y una segunda direccion con unos periodos dei y d2 diferentes. En el ejemplo de la figura 4A esta previsto un polarizador 401 que permite polarizar en modo TM una onda incidente sobre el filtro (campo magnetico perpendicular al plano de corte de la figura). La ventana espectral transmitida esta centrada pues sobre Aoi correspondiente a la red de periodo di. En el ejemplo de la figura 4B, el polarizador 401 esta adaptado para polarizar en modo TE la onda incidente sobre el filtro (campo electrico perpendicular al plano de corte de la figura). La ventana espectral transmitida esta centrada entonces sobre A02 correspondiente a la red de periodo d2.Es pues posible con tal dispositivo seleccionar una u otra de las ventanas espectrales seleccionando la polarizacion.

Las figuras 5A y 5B ilustran dos ejemplos de realizacion de filtros espectrales segun el invento en los cuales las redes comprenden una pluralidad de conjuntos de hendiduras, sensiblemente identicas, paralelas estando dispuestas las hendiduras de cada uno de los conjuntos segun tres direcciones diferentes (Di, D2, D3) para formar un motivo 50 hexagonal (figura 5A) o en forma de paralelogramo (figura 5B) repetida segun dos direcciones Ai, A2. El motivo se repite de forma periodica o casi periodica segun cada una de las direcciones Ai, A2. Una ventaja de esta estructura es la de limitar el efecto de la incidencia de la onda sobre el filtro conservando al mismo tiempo una pequena sensibilidad a la polarizacion.

La figura 6 muestra un ejemplo de tal realizacion de un dispositivo de filtrado que comprende varios filtros de ancho de banda que forman un mosaico de filtros, o matriz multiespectral. El conjunto capa dielectrica 602 y redes metalicas referenciadas i0iA a i0ip de los filtros esta suspendido en el contorno de un orificio formado en un mismo substrato 60i,por ejemplo de sflice. En este ejemplo, el mosaico comprende unos filtros con una dimension polarizante (i0is, i0ip) con unos periodos diferentes y como consecuencia unas longitudes de onda de filtrado diferentes asf como unos filtros con dos direcciones polarizantes o no polarizantes (i0iA, i0ic). Este tipo de dispositivo, integrado en un sistema de imaginena, permite por ejemplo aplicaciones de imaginena o de espectrometna, o de analisis de la polarizacion. Por otra parte, el mosaico de filtros asf obtenido no presenta superespesor de un filtro a otro, como habna sido el caso para un mosaico de filtros interferenciales por ejemplo, resultando o no la longitud de onda central de filtrado de parametros optogeometricos de la red, de un apilado mas o menos importante de capas.

La figura 7 representa una vista desde arriba de una matriz multiespectral 600 segun un ejemplo de realizacion. En este ejemplo, la matriz comprende un conjunto de filtros cuyas redes i0iA a i0ip comprenden cada una un unico conjunto de hendiduras paralelas, de periodo identico, pero cuya orientacion de las hendiduras varia de un filtro a otro, por ejemplo 0°, 30°, 60°, 90°. Esta matriz permite por ejemplo un analisis de la polarizacion de una escena, previendo unos medios para desplazarla delante del dispositivo de deteccion.

Un dispositivo de filtrado segun el invento puede fabricarse con distintos procedimientos. Ventajosamente, se realiza adaptando el procedimiento descrito en G. Vincent et al. “Large Area dielectric and metallic freestanding gratings for mindinfrared optical filtering applications “, J. Vac. Sci. Technol. B26, i852 (2008) que permite la realizacion de estructuras suspendidas. Se selecciona un substrato de silicio por ejemplo, de silicio pulido de doble cara con orientacion cristalina i00 y a continuacion se deposita sobre una de las caras del substrato (“cara trasera”) una capa de sflice (ffpicamente 500 nm) por ejemplo, por PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) o por pulverizacion. Sobre la otra cara del substrato (“cara delantera”), se deposita una capa fina de dielectrico para formar la grna de onda (se trata por ejemplo de una capa de nitruro de silicio depositada por PECVD). Se puede realizar una etapa de ajuste de los esfuerzos mecanicos en la capa fina que forma la grna de onda procediendo a unos recocidos (ffpicamente una hora a 400° C para el nitruro depositado por PECVD). La red metalica se deposita entonces sobre la grna de onda. Esta etapa comprende por ejemplo el deposito de una resina sensible a la radiacion UV (por ejemplo, AZ 52i4 de MicroChemical) o a los electrones (por ejemplo, de PMMA), de la litograffa UV o electronica del motivo deseado (red de hendiduras iD o 2D, etc.) , del desarrollo de la resina aislada del deposito de metal, por ejemplo, de oro, segun el espesor deseado, y finalmente el lift-off (eliminacion de la resina o del metal no deseado) en un disolvente adaptado, por ejemplo acetona para la resina AZ52i4 o tricoretileno para la PMMA. Segun una variante, puede utilizarse una tecnologfa de nano-impresion (o “nanoimprint”) para formar la red metalica en lugar de la litograffa electronica por ejemplo, pudiendo hacerse la tecnologfa de nano-impresion con menor coste. La membrana suspendida se obtiene a continuacion por deposito sobre la cara trasera de una resina sensible a la radiacion UV (por ejemplo AZ52i4) o a los electrones (por ejemplo PMMA), de la litograffa UV o electronica del motivo deseado (abertura cuadrada, rectangular, et.) poniendo atencion en que este alineado con el motivo de la cara delantera, del desarrollo de la resina aislada, la grabacion de la sflice que ha quedado libre despues del desarrollo, y con la ayuda de una solucion a base de acido fluortffdrico (en esta zona la sflice deja lugar al silicio), la retirada de la resina por un disolvente adaptado, el paso de de la muestra por una solucion de TMAH (hidroxido de tetrametilamonio) con el fin de grabar el substrato de silicio.

Segun una variante, en el caso en el que la capa de dielectrico este estructurada (tal como esta ilustrado en el ejemplo de la figura 1B) se precede a continuacion a la grabacion de la citada capa, por ejemplo mediante grabacion por plasma.

El procedimiento asf descrito permite realizar un filtro de ancho de banda unico, o un mosaico de filtros tal como el 5 descrito por ejemplo en la figura 6. Los filtros de mosaico pueden realizarse entonces por el procedimiento descrito sobre el mismo substrato, tambien de una manera sencilla y sin ningun sobrecosto notable con respecto a un filtro unico, siendo modificada solamente la etapa de definicion del motivo.

La figura 8 representa de manera esquematica un sistema optronico de deteccion que utiliza un filtro espectral o una matriz multiespectral 600 tal como la descrita anteriormente, y que comprende un conjunto de filtros espectrales 10 referenciados 100a a 100d, siendo utilizados los filtros en transmision. El sistema comprende generalmente un objetivo 801 y un detector 802 adaptado a la banda espectral de interes. La matriz 600 esta posicionada delante del detector y puede preverse unos medios (no representados) para desplazarla, permitiendo de esta manera trabajar con uno u otro de los filtros, por ejemplo enuna aplicacion de analisis de la polarizacion. Segun una variante, un polarizador 803 esta situado en el sistema para seleccionar una polarizacion y seleccionar de esta manera una 15 longitud de onda central de transmision como la que ha sido descrita anteriormente por ejemplo en el ejemplo de las figuras 4A, 4B. Alternativamente, el sistema optico puede comprender una yuxtaposicion de objetivos, cada uno de ellos de cara a un filtro de la matriz 600 y a una zona de la matriz de deteccion 802 de dimensiones superiores a la de la representada en la figura 8. Segun esta variante, la matriz 600 permanece fija en el sistema.

A pesar de que ha sido descrita a traves de un cierto numero de ejemplos de realizacion detallados, la estructura y el 20 metodo de realizacion del filtro espectral segun el invento comprenden diferentes variantes, modificaciones y perfeccionamientos que apareceran de manera evidente con el experto, bien entendido que estas diferentes variantes, modificaciones y perfeccionamientos forman parte del alcance del invento, tal como esta definido en las reivindicaciones que siguen.

Claims (19)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   REIVINDICACIONES

   1. Filtro espectral de ancho de banda (100), optimizado para la transmision de una onda incidente con al menos una primera longitud de onda central Ao dada, caracterizado porque comprende.

   - una red metalica (101) de espesor (t) superior a alrededor de Ao /50 y que comprende al menos un primer conjunto de hendiduras sensiblemente identicas, paralelas, de anchura (w) inferior a alrededor de A0 /10, espaciadas de manera periodica o casi periodica segun un primer periodo (d, d-i) inferior a la citada primera longitud de onda central,

   - una capa de material dielectrico (102) de espesor (h) e mdice de refraccion (ng) dados, acoplado con la red metalica para formar una grna de ondas de las ondas difractadas por la red, estando adaptado el primer periodo de la red para que solo las ordenes 0 y +/-1 de una onda con incidencia normal y longitud de onda A0 sean difractadas en la capa de material dielectrico y estando suspendida la red en un fluido de mdice de refraccion proximo a 1.
2. 2. Filtro espectral segun la reivindicacion 1, en el cual la red metalica comprende un segundo conjunto de hendiduras, sensiblemente identicas, paralelas, espaciadas de manera periodica o casi periodica segun un segundo periodo (d2), estando situadas las hendiduras del segundo conjunto segun una direccion diferente de la de las hendiduras del primer conjunto.
3. 3. Filtro espectral segun la reivindicacion 2, en el cual la anchura de las hendiduras del segundo conjunto de hendiduras es sensiblemente identico a la de las hendiduras del primer conjunto de hendiduras y los dos periodos son identicos.
4. 4. Filtro espectral segun la reivindicacion 2, optimizado para el filtrado de una onda incidente con al menos una primera y una segunda longitudes de onda centrales A01, A02 en el cual los dos periodos son diferentes, inferiores a las primera y segunda longitudes de onda respectivamente, estando adaptado el periodo segun cada una de las dimensiones para que solo las ordenes 0 y 1 de una onda con incidencia normal y longitud de onda A01 o A02 respectivamente sean difractadas en la capa de material dielectrico.
5. 5. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el cual las hendiduras de los citados primero y segundo conjuntos de hendiduras son perpendiculares.
6. 6. Filtro espectral segun la reivindicacion 1, en el cual la red metalica comprende una pluralidad de conjuntos de hendiduras , sensiblemente identicas, paralelas, espaciadas de manera periodica casi periodica, estando situadas las hendiduras de cada uno de los conjuntos segun unas direcciones (D1, D2, D3) diferentes para formar un motivo (50) repetido segun dos direcciones (A1 ,A2).
7. 7. Filtro espectral segun la reivindicacion 1, en el cual el citado motivo (50) es hexagonal o en forma de paralelogramo.
8. 8. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la capa de material dielectrico (102) esta estructurada segun un motivo sensiblemente similar al formado entre las hendiduras de la red.
9. 9. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el espesor (h) de la capa dielectrica es lo suficientemente fino como para no dejar pasar nada mas que un solo modo guiado en la capa dielectrica con la citada al menos primera longitud de onda central.
10. 10. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual el espesor de la capa dielectrica es lo suficientemente grueso como para permitir la propagacion de varios modos guiados en la capa dielectrica.
11. 11. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el material que forma la capa dielectrica comprende uno de los materiales elegidos entre el nitruro de silicio, el carburo de silicio, el oxido de silicio, el fluoruro de itrio, el sulfuro de zinc, el oxido de aluminio o de magnesio.
12. 12. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el material que forma la red comprende uno de los metales elegidos entre el oro, el aluminio, el cobre, el tungsteno, el mquel, el platino, la plata.
13. 13. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la citada al menos primera longitud de onda central esta comprendida entre sensiblemente 0,850 pm y 30 pm.
14. 14. Filtro espectral segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende ademas un substrato, estando suspendido el conjunto de la capa dielectrica y la red metalica en el contorno de un orificio formado en el citado substrato.
15. 15. Matriz multiespectral (600) que comprende un conjunto de filtros espectrales segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, estando acopladas las redes (101a, 101b, 101c, 101d) de los citados filtros espectrales con la misma capa (102) de material dielectrico, estando suspendido el conjunto capa dielectrica y redes metalicas en el contorno de un orificio formado en el citado substrato (601).
16. 16. Sistema optronico (800) de deteccion en el infrarrojo cercano o en el infrarrojo que comprende un detector (802) y un filtro espectral segun la reivindicacion 14 o una matriz espectral (600) segun la reivindicacion 15.
17. 17. Sistema optronico de deteccion segun la reivindicacion 16 , que comprende ademas un polarizador (803) que permite polarizar una onda incidente segun una direccion paralela a una de las direcciones de las hendiduras de las

    5 o al menos una de las red(es) metalica(s) del o de los filtro(s).
18. 18. Metodo de fabricacion de un filtro espectral segun la reivindicacion 14 o de una matriz multiespectral segun la reivindicacion 15 que comprende:

    - el deposito sobre una de las caras de un substrato de una capa de sflice y sobre la otra cara del substrato de una fina capa de dielectrico para formar la grna de onda,

    10 - el deposito de o de la(s) red(es) metalica(s) sobre la citada capa de material dielectrico segun un motivo dado,

    - la grabacion de la sflice en la cara trasera del substrato segun un motivo definido por litograffa UV o electronica, alineado con el motivo de o de las red(es) metalica (s) formado(s) en la cara delantera, y a continuacion la grabacion del substrato de silicio a ambos lados, segun el motivo precedente, con el fin de obtener una membrana suspendida formada de la capa dielectrica y de o de las red(es).

    15 19. Metodo de fabricacion segun la reivindicacion 18, en el cual el deposito de la o de las red(es) metalica (s) se

    obtiene por litograffa UV o por electronica.
19. 20. Metodo de fabricacion segun la reivindicacion 18, en el cual el deposito de la o de las red(es) metalica(s) se obtiene por nano-impresion.