FR2924820A1

FR2924820A1 - Dispositif photonique de filtrage spatial a bande passante angulaire etroite.

Info

Publication number: FR2924820A1
Application number: FR0759724A
Authority: FR
Inventors: Jean Michel Sajer
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-06-12
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: FR2924820B1; EP2232311A1; WO2009074551A1; US20100265586A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de filtrage passe-bande, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments cylindriques (1, 3) répartis sous forme de couches successives empilées selon un axe Oz dans un milieu diélectrique ou dans le vide (2), tous les éléments cylindriques étant identiques à l'exception des éléments cylindriques d'au moins une couche constituée d'éléments cylindriques (3) ayant une surface de section transversale sensiblement inférieure à la section transversale des éléments cylindriques des couches qui l'entourent.Application, entre autres, au filtrage des signaux lumineux et à la réalisation d'écrans (radome discret, filtre anti-retour, etc.).

Description

DISPOSITIF PHOTONIQUE DE FILTRAGE SPATIAL A BANDE PASSANTE ANGULAIRE ETROITE

DESCRIPTION Domaine technique et art anterieur La présente invention concerne un dispositif photonique de filtrage spatial d'ondes électromagnétiques à bande passante angulaire étroite. Le dispositif de filtrage de l'invention est utilisable de la gamme des fréquences radar (typiquement, les fréquences supérieures à 1GHz) aux fréquences du domaine optique. Le dispositif de filtrage spatial de l'invention est utilisable dans de très nombreuses applications qui peuvent être regroupées, par simplification, en deux catégories principales: une première catégorie concerne les dispositifs destinés à épurer les faisceaux lumineux de fréquences spatiales parasites et, ainsi, à améliorer la qualité de détection des signaux (par exemple, amélioration de la qualité des images dans le domaine de l'imagerie), la seconde catégorie concerne les dispositifs de filtrages utilisés en tant qu'écrans (radome discret, filtre anti-retour, etc.). Divers dispositifs de filtrage spatial sont connus de l'art antérieur. Dans le domaine optique, le plus commun consiste à former à l'aide d'une lentille le spectre spatial d'un objet puis à filtrer ce dernier à l'aide d'un diaphragme pour ne conserver que certaines fréquences spatiales. La largeur angulaire du SP 31427.3/PR 2

filtrage autour d'une fréquence spatiale donnée varie comme le rapport de l'ouverture du diaphragme à la distance focale de la lentille. L'obtention de faibles largeurs angulaires de filtrage implique l'utilisation de diaphragmes peu ouverts, associés à des lentilles de fortes focales : il en résulte un dispositif encombrant difficile à aligner. Dans le cas du filtrage de faisceaux laser intenses, il convient en outre de placer le dispositif précédent sous vide de façon à éviter l'ionisation de l'air au voisinage du diaphragme, l'intensité lumineuse dans cette zone étant amplifiée par un facteur de l'ordre du rapport de la section du faisceau laser avant focalisation à celle du diaphragme.

Les dispositifs de filtrage spatial de l'art antérieur sont en conséquence des dispositifs relativement encombrants et difficiles à régler. L'invention ne présente pas ces inconvénients. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un dispositif de filtrage passe-bande caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure photonique constituée d'un ensemble d'éléments cylindriques répartis sous forme de couches successives empilées avec une période spatiale Tz selon un axe Oz dans un milieu diélectrique ou dans le vide, les éléments cylindriques étant constitués d'un diélectrique de constante diélectrique relative cl très sensiblement différente de la constante diélectrique relative s2 du milieu diélectrique, les éléments cylindriques d'une même couche ayant un axe parallèle à un axe Oy et étant S,P 3142;7.3/PR 3

alignés avec une période spatiale Tx selon un axe Ox, les axes Oz, Oy et Ox définissant un trièdre direct, tous les éléments cylindriques présentant une section transversale de surface sensiblement identique dans un même plan de section droite perpendiculaire à l'axe Oy, à l'exception des éléments cylindriques d'au moins une couche de substitution qui contient des éléments cylindriques de substitution qui présentent, dans le plan de section droite, une section transversale de surface sensiblement identique sensiblement inférieure à la surface des sections transversales des éléments cylindriques des couches qui l'entourent. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, si 1 est supérieur à 2, les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative 3 qui vérifie l'inégalité : 1/5 ci 1 < c3 E3 < 1/2 C1 1r où et est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et c3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par. rapport à la surface totale du deuxième motif. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, si 1 est inférieur à E2, les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative 3 qui vérifie l'inégalité : 1/5 c1/ 1 < C3/ 3 < 1/2 c1/ 1, S'P 31427.3/PR 4 où et est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et c3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du deuxième motif. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le matériau qui constitue les éléments cylindriques de substitution est identique au matériau qui constitue les éléments cylindriques. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, N ensembles d'éléments cylindriques sont empilés selon l'axe oz, deux ensembles voisins étant séparés par une couche diélectrique. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, l'épaisseur d4 de la couche diélectrique qui sépare deux ensembles voisins vérifie l'équation : r 9 _ d4 K +

2.J(1 û (sin(ip)/ n4)2 \ 4, où : - À4 est la longueur d'onde de l'onde qui se propage dans la couche diélectrique, - n4 est l'indice de réfraction de la couche diélectrique, - ip est une incidence particulière (i.e. un angle 30 d'incidence particulier) autour de laquelle est SP 3142.7.3/PR définie une bande angulaire interdite pour une structure photonique constituée exclusivement d'éléments cylindriques répartis dans un milieu diélectrique ou le vide conformément à la structure 5 photonique de la revendication 1, - K est un nombre entier supérieur ou égal à 1. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les éléments cylindriques et les éléments cylindriques de substitution ont une section transversale circulaire. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les périodes Tz et Tx sont égales. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les périodes Tz et Tx sont égales à 0,4 fois la longueur d'onde de l'onde dans le milieu diélectrique. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le rayon de la section transversale circulaire des éléments cylindriques de substitution est sensiblement égal 0,05 Tx et le rayon des éléments cylindriques est sensiblement égal à 0, 15 Tx. La présente invention permet d'obtenir un filtrage de très faible largeur angulaire à l'aide d'une structure multicouche plane dont l'épaisseur totale est, par exemple, de l'ordre de quelques dizaines de longueurs d'onde. Ce filtrage ne requiert aucun vide puisqu'il n'y a pas à assurer de focalisation et repose sur un simple alignement par SP 3142'7.3/PR 6

rapport à la direction de propagation de l'onde à filtrer. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - La figure 1 représente un premier exemple de structure photonique à bande angulaire interdite utilisée pour la réalisation d'un dispositif de filtrage conforme à l'invention ; - Les figures 2A et 2B représentent respectivement un deuxième et un troisième exemple de structure photonique à bande angulaire interdite utilisée pour la réalisation d'un dispositif de filtrage conforme à l'invention ; - La figure 3 représente un premier exemple de dispositif de filtrage de l'invention qui utilise la structure de la figure 1 ; - La figure 4 représente un deuxième exemple de dispositif de filtrage de l'invention qui utilise la structure de la figure 1 ; - La figure 5 représente un troisième exemple de dispositif de filtrage de l'invention qui utilise la structure de la figure 1 ; - La figure 6 représente le coefficient de transmission du dispositif de filtrage de l'invention représenté en figure 3 ; - La figure 7 représente les coefficients de transmission respectifs des dispositifs de filtrage de l'invention représentés en figures 4 et 5 ; SP 31427.3/PR 7 - La figure 8 représente une vue zoomée des coefficients de transmission des dispositifs de filtrage de l'invention représentés en figures 4, 5 et 6. Description détaillée de modes de mise en œuvre de l'invention La figure 1 représente un exemple de structure photonique à bande angulaire interdite qui 10 est utilisée pour réaliser un dispositif de filtrage conforme à l'invention. La structure photonique à bande angulaire interdite est réalisée par une juxtaposition périodique d'éléments diélectriques identiques 1 placés dans un 15 milieu 2. Le milieu 2 est un milieu diélectrique ou le vide. Les éléments 1 ont, par exemple, une forme cylindrique et sont positionnés parallèlement les uns aux autres. Les éléments cylindriques 1 sont répartis en couches successives parallèles à un plan xOy et 20 empilées, avec une période Tz, selon un axe Oz perpendiculaire au plan xOy. Le repère xyz forme un trièdre direct. Les éléments cylindriques 1 d'une même couche ont une période spatiale Tx selon l'axe Ox. Les axes des éléments cylindriques 1 sont parallèles à 25 l'axe Oy. Les cylindres sont, par exemple, de section transversale circulaire, toute autre forme de section transversale pouvant également être envisagée (carrée, rectangulaire, polygonale, etc.). Typiquement, les périodes spatiales Tx et Tz sont inférieures à la 30 longueur d'onde 2 de l'onde électromagnétique qui se propage dans le milieu diélectrique 2 afin d'éviter5 SP 31427.3/PR 8

l'excitation de modes de propagation (modes de Bloch) autres que le mode fondamental. Pour une différence suffisamment importante entre la permittivité diélectrique relative si des éléments cylindriques 1 et la permittivité diélectrique relative E2 du milieu 2, la structure présente une bande d'incidence angulaire interdite. La bande d'incidence angulaire interdite est, par définition, une ouverture angulaire telle que toute onde incidente qui arrive sur la structure avec un angle d'incidence compris dans cette ouverture angulaire ne peut pas se propager dans la structure. Comme cela est connu de l'homme de l'art, l'angle d'incidence d'une onde sur une structure plane est, par définition, l'angle que fait le vecteur d'onde de l'onde avec la normale au plan de la structure. A titre d'exemple non limitatif, pour un rapport s2/El sensiblement supérieur à 2,5, la bande angulaire interdite est obtenue pour une onde électromagnétique polarisée dans le plan xOz et, pour un rapport s1/s2 sensiblement supérieur à 2, 5, la bande angulaire interdite est obtenue pour une onde polarisée selon l'axe Oy. Toute onde électromagnétique plane ayant une incidence comprise dans la bande angulaire interdite est réfléchie et ne peut donc pas se propager. Un empilement d'une dizaine de couches d'éléments 1 dans la direction de propagation Oz suffit à la création de bandes angulaires interdites très performantes pour une onde polarisée selon l'axe Oy.

A titre d'exemple non limitatif, lorsque le milieu 2 est le vide, la permittivité relative des S,P 31427.3/PR 9

éléments 1 est égale à 8,41 et les périodes Tx et Tz sont égales à 0,4 fois la longueur d'onde 2. d'une onde qui se propage. Dans le cas particulier où la section transversale des éléments cylindriques 1 dessine un cercle, le rayon de ce cercle est égal à 0,15 fois les périodes Tx et Tz. Sur la figure 1, les éléments cylindriques 1 de deux couches d'éléments cylindriques successives sont alignés selon l'axe Oz. D'autres configurations sont toutefois possibles dans lesquelles les éléments cylindriques 1 de deux couches successives ne sont pas alignés selon l'axe Oz. A titre d'exemples non limitatifs, les figures 2A et 2B illustrent ces autres configurations. Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe transversale. Les éléments 1 de deux couches voisines ne sont pas alignés selon l'axe Oz. Sur la figure 2A, trois couches d'éléments 1 empilées successives dessinent un motif dont une maille élémentaire dans le plan x0z est une maille carrée centrée et, sur la figure 2B, trois couches d'éléments 1 successives dessinent un motif dont une maille élémentaire dans le plan x0z est une maille hexagonale. La figure 3 représente un premier exemple de structure élémentaire de dispositif de filtrage de l'invention qui utilise la structure de la figure 1. Le dispositif de filtrage de l'invention est obtenu par substitution d'au moins une couche d'éléments cylindriques 1 par au moins une couche d'éléments cylindriques de substitution 3. Les éléments cylindriques de substitution 3 ont une section transversale dans le plan x0z de surface sensiblement SP 31427.3/PR 10

inférieure à la surface de la section transversale des éléments cylindriques 1. La figure 2 illustre le cas non limitatif où une seule couche d'éléments 1 est remplacée par une seule couche d'éléments de substitution 3 située au centre de la structure. D'autres configurations sont toutefois possibles dans lesquelles N couches d'éléments de substitution 3 remplacent N couches d'éléments 1, les couches d'éléments de substitution pouvant être ou non placées au centre du dispositif. Les éléments de substitution 3 ont, par exemple, une section transversale circulaire, toute autre forme de section transversale pouvant également être envisagée (carrée, rectangulaire, polygonale, etc.). Les éléments de substitution 3 sont formés dans un matériau diélectrique qui peut être identique ou différent du matériau qui forme les éléments 1. La présence des éléments cylindriques de substitution 3 dans la structure à bande angulaire interdite conduit au percement de la bande angulaire interdite. Par percement de la bande angulaire interdite, il faut entendre qu'une onde électromagnétique dont l'angle d'incidence est compris dans la bande angulaire interdite arrive à se propager dans la structure. L'onde électromagnétique qui se propage alors dans la structure ne se propage que dans un très faible domaine angulaire autour d'une incidence particulière. Dans le cadre de l'exemple numérique donné précédemment (Tx = Tz = 0,4 X et rayon de la section transversale circulaire d'un élément cylindrique 1 égal à 0,15 Tx) les éléments de substitution 3 sont des cylindres de section SP 31427.3/PR 11

transversale circulaire dont le rayon est, par exemple, égal à 0,05 Tx. Pour une structure photonique donnée, l'existence et la valeur de l'incidence particulière sont conditionnées par une valeur de permittivité relative moyenne cm telle que : m = C3 E3 + C2 E2 où . C3 est la proportion de la section transversale d'un 10 élément de substitution 3 centré dans un motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale Tx x Tz du motif, et c2 est, dans ledit motif, la proportion de la surface dessinée par le matériau 2 par rapport à la surface 15 totale Tx x Tz du motif (c2+c3=1) . Différentes expériences ont montré que, dans le cas où, par exemple, cl > E2, les conditions d'apparition du percement de la zone interdite existent si l'inégalité suivante est réalisée : 20 1/5 (c1E1) C3E3 < 1/2 (c1E1) où . - et est la proportion de la section transversale d'un élément cylindrique 1 centré dans un motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la 25 surface totale Tx x Tz du motif, et - 03 est la proportion mentionnée ci-dessus. L'augmentation de cm due à une augmentation de la quantité C3E3 conduit à un déplacement de l'incidence particulière vers les incidences élevées. Dans le cas 30 où, par exemple, cl <E2, les précédentes remarques sont SP 3142'7.3/PR 1 2

valables à la condition de remplacer dans toutes les expressions les termes ci (i=1,3) par 1/ci. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, pour des caractéristiques particulières des éléments de substitution précédemment définies, il existe une valeur de l'angle d'incidence pour laquelle la transmission est sensiblement égale à l'unité, la largeur de la fenêtre de transmission autour de cette incidence particulière étant de l'ordre de quelques centièmes de radians. Dans le cadre de l'exemple numérique donné précédemment, la largeur de la fenêtre de transmission est de quelques centièmes de radians autour d'une incidence particulière sensiblement égale ï5 à 42°(i.e. l'angle d'incidence de l'onde sur le dispositif photonique est sensiblement égal à 42°). La figure 4 représente un deuxième exemple de dispositif de filtrage de l'invention qui utilise la structure de la figure 1. 20 Le dispositif représenté en figure 4 est constitué de deux dispositifs identiques à celui représenté en figure 3. Les deux dispositifs sont empilés selon l'axe Oz. Une couche de diélectrique 4 sépare les deux dispositifs. Dans le cas où la couche 4 25 a une épaisseur inférieure à 2Tx, les éléments cylindriques alignés selon l'axe Oz d'un premier dispositif sont préférentiellement alignés avec les éléments cylindriques alignés selon l'axe Oz du deuxième dispositif. Pour une épaisseur de la couche 4 30 supérieure ou égale à 2Tx, il n'est pas nécessaire que SP 3142'7.3/PR 13

les alignements selon l'axe Oz des éléments cylindriques des deux dispositifs coïncident. De façon générale, l'épaisseur de la couche 4 vérifie l'équation suivante : d, = Xy K + 1) 2 J~1 û (sin(ip) / n4 )2 \. 4 où . - X4 est la longueur d'onde de l'onde qui se propage dans la couche 4, - n4 est l'indice de réfraction de la couche 4, - ip est l'incidence particulière (i.e. l'angle d'incidence particulier) autour de laquelle la bande angulaire interdite est définie pour la structure photonique à bande angulaire interdite à partir de laquelle la structure photonique de l'invention est définie, - K est un nombre entier supérieur ou égal à 1. Le diélectrique qui constitue la couche 4 peut être quelconque dès lors que l'équation ci-dessus est correctement vérifiée. De façon préférentielle, c'est le diélectrique utilisé pour réaliser le milieu 2 qui est également utilisé pour réaliser la couche 4. Si le milieu 2 est le vide, la couche 4 peut donc également être le vide. Le dispositif représenté en figure 5 est constitué de quatre dispositifs identiques à celui représenté en figure 3. Les quatre dispositifs sont superposés, une couche de diélectrique 4 séparant deux dispositifs voisins. Les conditions mentionnées ci- dessus pour le dispositif à deux dispositifs empilés, à savoir l'alignement des éléments cylindriques selon SP 31427.3/PR 14

l'axe Oz, l'épaisseur et la nature du diélectrique qui constitue la couche 4, sont également réalisées pour le dispositif à quatre dispositifs empilés. Les performances de la structure à quatre dispositifs de filtrage sont très sensiblement améliorées par rapport aux performances des structures à un seul dispositif ou à deux dispositifs. De façon plus générale, le coefficient de transmission de N dispositifs de filtrage élémentaires empilés varie comme la puissance Nième du coefficient de transmission d'un dispositif de filtrage élémentaire. Les figures 6, 7 et 8 représentent les coefficients de transmission des dispositifs de l'invention décrits précédemment. La figure 6 représente le coefficient de transmission t1 du dispositif de filtrage de l'invention représenté en figure 3 en fonction de l'angle d'incidence de l'onde électromagnétique et la figure 7 représente les coefficients de transmission t2 et t3 des dispositifs de filtrage de l'invention représentés respectivement en figures 4 et 5. La figure 8 détaille les figures 6 et 7 autour de la valeur maximale des coefficients de transmission. Il apparaît clairement qu'une structure à quatre dispositifs a des performances meilleures qu'une structure à deux dispositifs dont les performances sont elles-mêmes meilleures que les performances d'une structure à un seul dispositif.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de filtrage passe-bande, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure photonique constituée d'un ensemble d'éléments cylindriques (1, 3) répartis sous forme de couches successives empilées avec. une période spatiale Tz selon un axe Oz dans un milieu diélectrique ou dans le vide (2), les éléments cylindriques (1, 3) étant constitués d'un diélectrique de constante diélectrique relative si très sensiblement différente de la constante diélectrique relative s2 du milieu diélectrique (2), les éléments cylindriques d'une même couche ayant un axe parallèle à un axe Oy et étant alignés avec une période spatiale Tx selon un axe Ox, les axes Oz, Oy et Ox définissant un trièdre direct, tous les éléments cylindriques (1) présentant une section transversale de surface sensiblement identique dans un même plan de section droite perpendiculaire à l'axe Oy, à l'exception des éléments cylindriques d'au moins une couche de substitution qui contient des éléments cylindriques de substitution (3) qui présentent, dans le plan de section droite, une section transversale de surface sensiblement identique sensiblement inférieure à la surface des sections transversales des éléments cylindriques des couches qui l'entourent.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel, si si est supérieur à s2r les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative s3 qui vérifie l'inégalité :SP 3142I.3/PR 16 1/5 et 1 -< c3 3 < 1/2 c1 l, où et est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique (1) centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et c3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution (3) centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du deuxième motif.

3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel, si El est inférieur à e2, les éléments de substitution ont une constante diélectrique relative s3 qui vérifie l'inégalité : 1/5 cl/ El ≤ c3/ s3 < 1/2 c1/s-1, où et est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique (1) centré dans un premier motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du premier motif et c3 est la proportion d'une section transversale d'un élément cylindrique de substitution (3) centré dans un deuxième motif élémentaire de section Tx x Tz par rapport à la surface totale du deuxième motif.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau qui constitue les éléments cylindriques de substitution (3) est identique au matériau qui constitue les éléments cylindriques (1). 2924820 SP 3142'7.3/PR 17

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et qui comprend N ensembles d'éléments cylindriques empilés selon l'axe oz, deux ensembles voisins étant séparés par une couche 5 diélectrique (4).

6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'épaisseur d4 de la couche diélectrique (4) qui sépare deux ensembles voisins vérifie 10 l'équation : ~4 / d, = K + - 2.\A1 - (sin(ip) / nq )z 4/ où . - À4 est la longueur d'onde de l'onde qui se propage dans la couche diélectrique (4), 15 - n4 est l'indice de réfraction de la couche diélectrique (4), - ip est une incidence particulière (i.e. un angle d'incidence particulier) autour de laquelle est définie une bande angulaire interdite pour une 20 structure photonique constituée exclusivement d'éléments cylindriques (1) répartis dans un milieu diélectrique (2) ou le vide conformément à la structure photonique de la revendication 1, - K est un nombre entier supérieur ou égal à 1. 25

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments cylindriques (1) et les éléments cylindriques de substitution (3) ont une section transversale 30 circulaire.SP 31427.3/PR 18

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les périodes Tz et Tx sont égales.

9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel les périodes Tz et Tx sont égales à 0,4 fois la longueur d'onde de l'onde dans le milieu diélectrique (2).

10. Dispositif selon les revendications 7 et 9, dans lequel le rayon de la section transversale circulaire des éléments cylindriques de substitution (3) est sensiblement égal 0,05 Tx et le rayon des éléments cylindriques (1) est sensiblement égal à 0,15 Tx.