WO2001031755A1 - Microcavite active accordable et procede de fabrication associe - Google Patents

Microcavite active accordable et procede de fabrication associe Download PDF

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WO2001031755A1
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mirrors
microcavity
face
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Emmanuel Picard
Emmanuel Hadji
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
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    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length

Definitions

  • the invention relates to a tunable active microcavity as well as to a method for manufacturing a tunable active microcavity.
  • a cavity is made up of two mirrors separated by a thickness e.
  • the resonance frequency of the cavity is made tunable by moving the mirrors relative to each other.
  • an active material such as, for example, CdHgTe is placed between the mirrors.
  • a mode of displacement of the mirrors of a cavity is carried out using piezoelectric elements.
  • FIG. 1 A tunable cavity according to a first embodiment of the prior art is described in FIG. 1.
  • the cavity comprises two mirrors 1 and 2 and a piezoelectric element 3 included between the two mirrors.
  • a piezoelectric element 3 By applying a voltage to the piezoelectric element 3, the distance between the two mirrors is changed.
  • Piezoelectric materials cannot be machined so as to achieve very small thicknesses. It follows that the cavities obtained according to the embodiment of the prior art described in Figure 1 have minimum thicknesses of the order of a millimeter. It is then not possible to produce microcavities, that is to say cavities whose thickness is of the order of a micron.
  • FIG. 2 A tunable cavity according to a second embodiment of the prior art is described in FIG. 2.
  • a piezoelectric actuator external to the cavity is used to vary the thickness of the cavity.
  • the tunable cavity includes two mirrors 1 and 2, a piezoelectric actuator 4, a support arm
  • the piezoelectric actuator 4 is located outside the cavity defined by the mirrors 1 and 2.
  • a first mirror (mirror 1 in FIG. 2) is fixed to the support 6.
  • the second mirror (mirror 2) is fixed to the piezoelectric actuator 4, which is fixed to a first end 5A of the support arm 5 whose second end 5B is fixed to the support 6.
  • the mirrors 1 and 2 are placed opposite one another to form the cavity.
  • the mirror 2 Under the action of a voltage applied to the piezoelectric actuator, the mirror 2 can be moved relative to the mirror 1, thus inducing a change in frequency of the cavity.
  • a voltage applied to the piezoelectric actuator the mirror 2 can be moved relative to the mirror 1, thus inducing a change in frequency of the cavity.
  • Such a device presents reference problems. It is not easy to precisely adjust the position of the mirror 2 relative to the position of the mirror 1 located on the fixed support 6. The precision with which the mirror 2 can be positioned relative to the mirror 1 is at best of the order of a millimeter. It is then only possible to produce cavities whose minimum thickness is of the order of a millimeter.
  • tunable microcavities it is therefore also not possible to produce tunable microcavities. It is known, moreover, tunable microcavities.
  • One of the two mirrors of the microcavity is then placed on a deformable membrane.
  • the membranes used are not very deformable.
  • the frequency tuning band is therefore small.
  • the tuning band is typically 5% for a central wavelength of 1 ⁇ m.
  • the invention does not have the above drawbacks.
  • the invention relates to a tunable active microcavity comprising a first mirror, a second mirror and a layer of active material comprised between the two mirrors, characterized in that the tunable microcavity comprises:
  • each of the two mirrors being free to move under the action of a control signal applied to
  • the invention also relates to a method for manufacturing a tunable active microcavity comprising a first mirror, a second mirror and a layer of active material included between the two mirrors, characterized in that it comprises the following steps:
  • An advantage of the invention is to allow very precise adjustment of the relative position of the mirrors which constitute the microcavity.
  • a tunable microcavity whose thickness is of the order of a few microns, for example of the order of 2 to 5 ⁇ m.
  • Such a device advantageously makes it possible to detect gases which have absorption bands in the middle infrared (2-5 ⁇ m). A wavelength agreement over several hundred nanometers can be obtained.
  • FIG. 1 represents a tunable cavity according to a first embodiment of the prior art
  • FIG. 2 represents a tunable cavity according to a second embodiment of the prior art
  • FIG. 3 represents a tunable microcavity according to the invention
  • FIG. 4 shows an example of a system for fixing the tuneable microcavity according to the invention. Detailed description of methods of implementing the invention
  • FIG. 3 shows a sectional view of a tunable microcavity according to the preferred embodiment of the invention.
  • the tuneable microcavity according to the preferred embodiment of the invention comprises two mirrors 7 and 8, two silica supports 10 and 11, a layer of active material 9, a piezoelectric actuator 12, 13, a holding structure 16, 17 and mechanical connecting means 14, 15.
  • the piezoelectric actuator 12, 13 is a part of cylindrical shape, for example a cylinder of revolution, having a central hole passing right through it, from a first face to a second side.
  • the first mirror 7 is fixed on a first face of the silica support 10 and the second mirror 8 is fixed on a layer of active material 9, for example CdHgTe.
  • the layer of active material 9 is then thinned until the desired thickness is obtained.
  • the assembly constituted by the active material 9 and the second mirror 8 is then fixed, for example by gluing, on the second silica support 11 so that the mirror 8 is located between the active material 9 and the silica support 11.
  • the support 11, the mirror 8 and the layer of active material 9 are then fixed to the end of the holding structure 16, 17.
  • a first step consists in rigidly connecting a first face of the piezoelectric actuator 12, 13 to the assembly formed by the mirror 7 and the silica support 10.
  • the assembly thus formed then has a cavity C whose bottom is constituted by the mirror 7.
  • the second step consists in introducing the holding structure 16, 17 into the cavity C so as to bring the first and the second mirror closer to a predetermined distance and to rigidly make the holding structure 16, 17 and the second face of the piezoelectric actuator using the mechanical connection means 14, 15.
  • the first and second mirrors are brought together, for example, using a micrometric screw system, a mechanical pressure system or a piezoelectric type system with, if necessary, a control , for example optical, of the air thickness 18 between the mirrors.
  • the holding structure 16, 17 and the second face of the piezoelectric actuator are fixed to each other, for example, by gluing, crimping or mechanical locking of the mechanical connecting means 14, 15.
  • the introduction into the cavity C of the assembly constituted by the holding tube 16, 17, the silica support 11, the mirror 8 and the active material 9 is carried out so that the active material 9 is substantially in contact with the mirror 7.
  • the air thickness 18 between the two mirrors 7 and 8 is then minimal.
  • the air thickness 18 can be, for example, of the order of a few ⁇ m.
  • the holding structure is preferably of tubular shape 16, 17.
  • the mechanical connection means 14, 15 preferably consist of a plate pierced by an orifice, the diameter of which is substantially that of the tubular-shaped holding structure 16, 17.
  • the piezoelectric actuator has a first of its faces rigidly connected to the first mirror 7 of the cavity and a second of its faces rigidly connected to the second mirror 8 of the cavity.
  • neither of the two mirrors plays the role of mechanical reference for the microcavity.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain a minimum air thickness 18 of the order of a micron with an accuracy of the same order of magnitude. It is then possible to adjust the relative position of the mirrors by directly controlling the resonance wavelength of the microcavity.
  • a microcavity whose actuator operates at a voltage varying from 0 to 1 kV and which constitutes a tubular piece 8 mm high, 16 mm in diameter and having a central hole of 8 mm has been produced.
  • a variation of 4 ⁇ m in the length of the microcavity was observed corresponding to a variation of 350 nm in the wavelength.
  • FIG. 4 shows an example of a system for fixing the tunable microcavity according to the invention.
  • the microcavity is then fixed to the structure which surrounds it (not shown in the figure) by a part 19, 20 fixed to the piezoelectric actuator 12, 13.
  • the part 19, 20 is preferably a plate which encloses the piezoelectric actuator.

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Abstract

L'invention concerne une microcavité active accordable ainsi qu'un procédé de fabrication de microcavité active accordable. La microcavité comprend un premier miroir (7), un deuxième miroir (8), et une couche de matériau actif (9). Un actionneur piézo-électrique (12, 13) placé à l'extérieur de l'espace situé entre les miroirs permet de modifier la distance relative séparant les deux miroirs (7, 8) sous l'action d'un signal de commande. L'actionneur piézo-électrique comprend une première face reliée de façon rigide au premier miroir et une deuxième face reliée de façon rigide au deuxième miroir de sorte que chacun des deux miroirs soit libre de se déplacer sous l'action du signal de commande appliqué à l'actionneur piézo-électrique.

Description

MICROCAVITE ACΗVE ACCORDABLE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE
Domaine technique et art antérieur L ' invention concerne une microcavité active accordable ainsi qu'un procédé de fabrication de microcavité active accordable.
L'invention s'applique, entre autres, à la détection et à l'émission infrarouge. De façon générale, quelles que soient ses dimensions, une cavité est constituée de deux miroirs séparés par une épaisseur e. L'épaisseur d'une cavité vérifie la relation e=kλ/2n où λ est la longueur d'onde de résonance, n l'indice de réfraction du milieu entre les miroirs et k un nombre entier. La fréquence de résonance de la cavité est rendue accordable en déplaçant les miroirs l'un par rapport à l'autre.
Dans le cas où la cavité est active, un matériau actif tel que, par exemple, du CdHgTe est placé entre les miroirs.
Selon l'art connu, un mode de déplacement des miroirs d'une cavité est effectué à l'aide d'éléments piézo-électriques .
Une cavité accordable selon un premier mode de réalisation de l'art antérieur est décrite en figure 1.
La cavité comprend deux miroirs 1 et 2 et un élément piézo-électrique 3 compris entre les deux miroirs. Par application d'une tension à l'élément piézo-électrique 3, la distance entre les deux miroirs est modifiée. Les matériaux piézo-électriques ne peuvent pas être usinés de façon à atteindre de très faibles épaisseurs. Il s'ensuit que les cavités obtenues selon le mode de réalisation de 1 ' art antérieur décrit en figure 1 ont des épaisseurs minimales de l'ordre du millimètre. Il n'est alors pas possible de réaliser des microcavités, c'est-à-dire des cavités dont l'épaisseur est de l'ordre du micron.
Une cavité accordable selon un deuxième mode de réalisation de l'art antérieur est décrite en figure 2.
Selon ce deuxième mode de réalisation, un actionneur piézo-électrique extérieur à la cavité est utilisé pour faire varier l'épaisseur de la cavité.
La cavité accordable comprend deux miroirs 1 et 2, un actionneur piézo-électrique 4, un bras de support
5 et un support fixe 6. L'actionneur piézo-électrique 4 est situé à l'extérieur de la cavité définie par les miroirs 1 et 2.
Un premier miroir ( le miroir 1 sur la figure 2 ) est fixé sur le support 6. Le deuxième miroir (miroir 2) est fixé sur l'actionneur piézo-électrique 4, lequel est fixé à une première extrémité 5A du bras de support 5 dont la deuxième extrémité 5B est fixée au support 6. Les miroirs 1 et 2 sont placés en regard l'un de l'autre pour former la cavité.
Sous l'action d'une tension appliquée à l'actionneur piézo-électrique, le miroir 2 peut être déplacé par rapport au miroir 1, induisant ainsi une modification de fréquence de la cavité. Un tel dispositif présente des problèmes de référence. Il n'est en effet pas facile d'ajuster avec précision la position du miroir 2 par rapport à la position du miroir 1 situé sur le support fixe 6. La précision avec laquelle le miroir 2 peut être positionné par rapport au miroir 1 est au mieux de l'ordre du millimètre. Il n'est alors possible de réaliser que des cavités dont l'épaisseur minimale est de l'ordre du millimètre.
Selon ce deuxième mode de réalisation, il n'est donc également pas possible de réaliser des microcavités accordables . II est connu, par ailleurs, des microcavités accordables . L ' un des deux miroirs de la microcavité est alors placé sur une membrane déformable. Cependant, les membranes utilisées sont peu déformables . La bande d'accord en fréquence est alors peu importante. A titre d'exemple, la bande d'accord est typiquement de 5% pour une longueur d'onde centrale de lμm.
L ' invention ne présente pas les inconvénients ci-dessus.
En effet, l'invention concerne une microcavité active accordable comprenant un premier miroir, un deuxième miroir et une couche de matériau actif comprise entre les deux miroirs, caractérisée en ce que la microcavité accordable comprend :
- un actionneur piézo-électrique ayant une première face fixée au premier miroir,
- une structure mécanique fixée au deuxième miroir,
- des moyens mécaniques de liaison fixés, d'une part, à une deuxième face de 1 ' actionneur piézo-électrique de façon que 1 ' actionneur piézo-électrique soit à l'extérieur de l'espace situé entre les premier et deuxième miroirs et, d'autre part, à la structure mécanique de façon à placer les premier et deuxième miroirs de façon sensiblement parallèle l'un à
1 ' autre et à une distance prédéterminée 1 ' un de l' autre, chacun des deux miroirs étant libre de se déplacer sous l'action d'un signal de commande appliqué à
1 ' actionneur piézo-électrique.
L'invention concerne également un procédé de fabrication de microcavité active accordable comprenant un premier miroir, un deuxième miroir et une couche de matériau actif comprise entre les deux miroirs, caractérisé en ce qu ' il comprend les étapes suivantes :
- fixer le premier miroir sur une première face d'un actionneur piézo-électrique de façon à constituer un premier ensemble,
- assembler, de façon rigide, un ensemble constitué du second miroir et de la couche de matériau actif avec une structure mécanique de façon à constituer un deuxième ensemble, - déplacer le premier ensemble et le deuxième ensemble 1 ' un par rapport à 1 ' autre de façon que 1 ' actionneur piézo-électrique soit à l'extérieur de l'espace situé entre les miroirs et que les deux miroirs soient sensiblement parallèles l'un à l'autre et situés de part et d'autre de la couche de matériau actif,
- fixer la structure mécanique à une deuxième face de l'actionneur piézo-électrique à l'aide de moyens mécaniques de liaison (14, 15), lorsque les deux miroirs sont situés à une distance prédéterminée l'un de l'autre. Un avantage de 1 ' invention est de permettre un ajustement très précis de la position relative des miroirs qui constituent la microcavité.
Il est alors possible de réaliser une microcavité accordable dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques microns , par exemple de 1 ' ordre de 2 à 5 μm. Un tel dispositif permet avantageusement de détecter les gaz qui présentent des bandes d'absorption dans l'infrarouge moyen (2-5 μm) . Un accord de la longueur d'onde sur plusieurs centaines de nanomètres peut être obtenu.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures ci-annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 représente une cavité accordable selon un premier mode de réalisation de l'art antérieur,
- la figure 2 représente une cavité accordable selon un deuxième mode de réalisation de 1 ' art antérieur,
- la figure 3 représente une microcavité accordable selon l'invention,
- la figure 4 représente un exemple de système de fixation de la microcavité accordable selon 1' invention. Description détaillée de modes de mise en oeuyre de 1 ' invention
Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Les figures 1 et 2 ont été décrites précédemment, il est donc inutile d'y revenir.
La figure 3 représente une vue en coupe d'une microcavité accordable selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. La microcavité accordable selon le mode de réalisation préférentiel de 1 ' invention comprend deux miroirs 7 et 8, deux supports de silice 10 et 11, une couche de matériau actif 9, un actionneur piézoélectrique 12, 13, une structure de maintien 16, 17 et des moyens mécaniques de liaison 14, 15.
Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'actionneur piézo-électrique 12, 13 est une pièce de forme cylindrique, par exemple un cylindre de révolution, présentant un trou central la traversant de part en part, d'une première face à une deuxième face.
Le procédé de réalisation de la microcavité accordable selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention va maintenant être décrit. Dans un premier temps, le premier miroir 7 est fixé sur une première face du support de silice 10 et le deuxième miroir 8 est fixé sur une couche de matériau actif 9, par exemple du CdHgTe. La couche de matériau actif 9 est alors amincie jusqu'à obtenir l'épaisseur désirée. L'ensemble constitué par le matériau actif 9 et le second miroir 8 est alors fixé, par exemple par collage, sur le second support de silice 11 de façon que le miroir 8 soit situé entre le matériau actif 9 et le support de silice 11.
Le support 11, le miroir 8 et la couche de matériau actif 9 sont alors fixés à l'extrémité de la structure de maintien 16, 17.
Le procédé comprend alors deux étapes principales. Une première étape consiste à relier de façon rigide une première face de l'actionneur piézoélectrique 12, 13 à l'ensemble constitué par le miroir 7 et le support de silice 10. L'ensemble ainsi constitué présente alors une cavité C dont le fond est constitué par le miroir 7. La deuxième étape consiste à introduire la structure de maintien 16, 17 dans la cavité C de façon à rapprocher le premier et le deuxième miroir à une distance prédéterminée et à rendre solidaires, de façon rigide, la structure de maintien 16, 17 et la deuxième face de l'actionneur piézo-électrique à l'aide des moyens mécaniques de liaison 14, 15.
Le rapprochement du premier et du deuxième miroirs est effectué, par exemple, à l'aide d'un système à vis micrométrique, d'un système à pression mécanique ou d'un système de type piézo-électrique avec, si nécessaire, un contrôle, par exemple optique, de l'épaisseur d'air 18 entre les miroirs.
La structure de maintien 16, 17 et la deuxième face de l'actionneur piézo-électrique sont fixées l'une à l'autre, par exemple, par collage, sertissage ou blocage mécanique des moyens mécaniques de liaison 14, 15.
L ' introduction dans la cavité C de 1 ' ensemble constitué par le tube de maintien 16, 17, le support de silice 11, le miroir 8 et le matériau actif 9 est effectué de façon que le matériau actif 9 se trouve sensiblement au contact du miroir 7. L'épaisseur d'air 18 entre les deux miroirs 7 et 8 est alors minimale. L'épaisseur d'air 18 peut être, par exemple, de l'ordre de quelques μm.
La structure de maintien est préférentiellement de forme tubulaire 16, 17.
Les moyens mécaniques de liaison 14, 15 sont préférentiellement constitués d'une plaque percée par un orifice dont le diamètre est sensiblement celui de la structure de maintien de forme tubulaire 16, 17.
Selon l'invention, l'actionneur piézoélectrique a une première de ses faces reliée de façon rigide au premier miroir 7 de la cavité et une deuxième de ses faces reliée de façon rigide au deuxième miroir 8 de la cavité. Lorsqu'une tension est appliquée à l'actionneur piézo-électrique 12, 13, chacun des deux miroirs 7 et 8 subit une force qui l'éloigné de l'autre miroir. L'épaisseur d'air 18 s'accroît. La longueur d'onde de résonance dans la microcavité s'accroît alors en conséquence.
Avantageusement, selon l'invention, aucun des deux miroirs ne joue le rôle de référence mécanique pour la microcavité. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir une épaisseur d'air 18 minimale de l'ordre du micron avec une précision du même ordre de grandeur. Il est alors possible d'ajuster la position relative des miroirs en contrôlant directement la longueur d'onde de résonance de la microcavité. Une microcavité dont 1 ' actionneur fonctionne sous une tension variant de 0 à 1 kV et qui constitue une pièce tubulaire de 8 mm de haut, 16 mm de diamètre et présentant un trou central de 8 mm a été réalisé. Une variation de 4 μm de la longueur de la microcavité a été observée correspondant à une variation de 350 nm de la longueur d'onde.
La figure 4 représente un exemple de système de fixation de la microcavité accordable selon 1 ' invention. La microcavité est alors fixée à la structure qui l'entoure (non représentée sur la figure) par une pièce 19, 20 fixée sur l'actionneur piézo-électrique 12, 13. La pièce 19, 20 est préférentiellement une plaque qui enserre l'actionneur piézo-électrique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Microcavité active accordable comprenant un premier miroir ( 7 ) , un deuxième miroir ( 8 ) et une couche de matériau actif ( 9 ) comprise entre les deux miroirs, caractérisée en ce que la microcavité accordable comprend :
- un actionneur piézo-électrique (12, 13) ayant une première face fixée au premier miroir ( 7 ) .
- une structure mécanique (11, 16, 17) fixée au deuxième miroir,
- des moyens mécaniques de liaison (14, 15) fixés, d'une part, à une deuxième face de l'actionneur piézo-électrique (12, 13) de façon que l'actionneur piézo-électrique soit à 1 ' extérieur de 1 ' espace situé entre les premier et deuxième miroirs et, d'autre part, à la structure mécanique (11, 16, 17) de façon à placer les premier et deuxième miroirs de façon sensiblement parallèle l'un à l'autre et à une distance prédéterminée l'un de l'autre, chacun des deux miroirs (7, 8) étant libre de se déplacer sous l'action d'un signal de commande appliqué à l'actionneur piézo-électrique (12, 13).
2. Microcavité selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'actionneur piézo-électrique présente une zone concave (C) de façon à constituer une pièce de guidage dans laquelle la structure mécanique (11, 16, 17) est positionnée.
3. Microcavité selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'actionneur piézo-électrique (12, 13) est une pièce cylindrique de révolution présentant un trou central traversant le cylindre de part en part, entre la première face et la deuxième face, le premier miroir (7) étant fixé à la première face du cylindre de façon que l'ensemble ainsi constitué présente une cavité (C), en ce que la structure mécanique (11, 16 ; 17) comprend un support (11) sur lequel est fixé le deuxième miroir (8) et une structure de maintien (16, 17) de forme tubulaire ayant une extrémité fixée au support (11) et en ce que les moyens mécaniques de liaison (14, 15) sont constitués d'une plaque percée par un orifice dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre de la structure de maintien, la structure de maintien étant positionnée à l'intérieur de la cavité de façon à rapprocher le premier ( 7 ) et le deuxième miroir ( 8 ) à la distance prédéterminée .
4. Microcavité selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau actif
(9) est du CdHgTe.
5. Microcavité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier miroir (7) est fixé sur un support (10).
6. Procédé de fabrication de microcavité active accordable comprenant un premier miroir ( 7 ) , un deuxième miroir (8) et une couche de matériau actif (9) comprise entre les deux miroirs, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - fixer le premier miroir ( 7 ) sur une première face d'un actionneur piézo-électrique de façon à constituer un premier ensemble,
- assembler, de façon rigide, un ensemble constitué du second miroir ( 8 ) et de la couche de matériau actif avec une structure mécanique (11, 16, 17) de façon à constituer un deuxième ensemble,
- déplacer le premier ensemble et le deuxième ensemble 1 ' un par rapport à 1 ' autre de façon que 1 ' actionneur piézo-électrique soit à l'extérieur de l'espace situé entre les miroirs et que les deux miroirs soient sensiblement parallèles l'un à l'autre et situés de part et d'autre de la couche de matériau actif,
- fixer la structure mécanique (11, 16, 17) à une deuxième face de 1 ' actionneur piézo-électrique à l'aide de moyens mécaniques de liaison (14, 15), lorsque les deux miroirs sont situés à une distance prédéterminée l'un de l'autre.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, l'actionneur piézo-électrique présentant une zone concave (C), l'étape de déplacement du premier ensemble par rapport au deuxième ensemble est une étape de guidage de la structure mécanique (11, 16, 17) dans la zone concave (C).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7 , caractérisé en ce que l'assemblage, de façon rigide, de l'ensemble constitué du second miroir (8) et de la couche de matériau actif (9) avec la structure mécanique (11, 16, 17) consiste à :
- fixer la couche de matériau actif (9) sur une première face du deuxième miroir ( 8 ) , - fixer une deuxième face du deuxième miroir sur un support ( 11 ) ,
- fixer le support (11) à l'extrémité d'une structure de maintien (16, 17).
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