Brevet FR2287713A1 — publié le 19760507

La présente invention concerne des procédés et des dispositifs relatifs à la réalisation de profils sur ou dans un matériau photosensible tel qu'une résine, un verre ou une plaque photo, c'est-à-dire à la réalisation d'objets présentant des variations spatiales d'au moins une de leurs caractéristiques suivant une loi déterminée, la caractéristique pouvant être ici l#épaisseur, l'indice de réfraction, la transparence, etc... On appelle profil une représentation dans un plan de ces variations de la caractéristique concernée en fonction de l'e- placement sur l'objet et, par extension, ces variations elles mêmes. On parle de profil d'amplitude si ces variations influent sur l'amplitude des rayonnements lumineux, comme dans une plaque photographique, ou de profil de phase si ces variations introduisent des déphaiqes dans ce rayonnements. On connaît déjà des procédés et des dispositifs conçus dans un tel but. Un de ces procédés consiste à enregistrer sur une surface photosensible des franges d'interférence produites par deux ondes. On arrive ainsi à obtenir an surface des profils d'amplitude et/ou des profils de phase sinusoidaux, ou par tout ou rien si la surface photo-sensible montre un contraste élevé, et dont le pas est constant. On constatera qu'un tel procédé met en oeuvre un appareillage, notamment un interféromètre de Micheleon, qui, pour être relativement courant dans les labora toires, n'en est pas moins de mise en oeuvre délicate. On arrive o à atteindre des périodes de 1100 li ce qui correspond environ à 10.000 traits/n avoir la publication de C.V.Shank et R.V. Schmidt,Applied Physical Letters 23,154 (1973) 7. Un autre procédé consiste à attaquer point par point, sous vide, une suriacespar balayage du faisceau d'un microscope électronique. On peut ainsi produire des réseaux de pas variable et de profil désiré moyennant des limitations dues au pas adopté dans le balayage et à la focalisation du faisceau d'électrons. On se réfèrera utilement comme illustration de ce procédé à la publication de HL GRAVIT et al. dans la revue Applied Optics 12,455 (1973), ainsi qu'à celle de J.J. TURNER et al. dans la revue Âpplied Physics Letters 23,333 (1973). L'article de-J.G. TR & Y et al "Gratings for integrated optics by electron lithography" dans la revue Âpplied Optics Vol. 13 Nt 7 p.1695 à 1702 (Juillet 1974) décrit une application du meme procédé à la réalisation de réseaux de couplage à l'entrée d'un guide de lumière, avec des périodes comprises entre 0X25 et 1X5 micron. Les efficacités maximales de couplage obtenues sont de 20 % dans le bleu (0fi4765 microns). Ce chiffre est à comparer à ceux)meilleurs, obtenus avec des réseaux réalisés par interférences optiques jcf. la publication de M.L. Dakss et ai. Âpplied Physics Letters 16,523 (1970) et celle de H. Kogelnik et ai. Bell System Techrical Journal 49,1660 (1970)2, et à la valeur théorique de 81 %, correspondant aux calculs se trouvant dans la publication de K. Ogaja et ai; Dans le "Journal of Quantum Electronics" QE 9,29 (1973) et dans celle de P.T. Tieu dans Âpplied Optics 10, 2395 (1971). On connait aussi un procédé qui consiste à impressionner ponctuellement une résine électrosensible en la soumettant, après avoir partiellement protégé sa surface par des masques, à un balayage uniforme x yfi le déplacement étant asservi par deux interféromètres0 On peut ainsi obtenir des réseaux de profil et de pas quelconques, mais cependant les performances sont assez sévèrement limitées du fait que d'une part les intensités du faisceau lumineux sont discrètes et que,d'autre part, les profils ainsi réalisés possèdent les défauts intrinsèques des masques, provenant en général d'une réduction photographique à partir desquels ils sont dupliqués. De même, dans la thèse de J.J. Clair (Université de Paris VI, soutenue le Il Décembre 1972 et publiée sous le NO A0 7876) est décrit (pages 82-84) un procédé de réalisation de profils de révolution, notamment des filtres dits "kinoform", sur résine photo-sensible. Un prisme focalise ponctuellement l'image d'un point sur la résine, la rotation du prisme engendrant un cercle dont on fait varier le rayon pas à pas par translation du prisme. Une photo est prise à chaque position et les temps de pose sont calculés par ordinateur, compte-tenu des faits qu'à éclairement égal, il faudra poser deux fois plus pour un point décrivant un cercle de rayon double et que deux ou plusieurs expositions superposées ne donnent pas le même résultat qu'une seule expositim respectivement deux ou plusieurs fois plus longue (non réciprocité). Les différents procédés connus permettent d'obtenir, des profils correspondant à des variations, par exemple, de l'indice de réfraction, par utilisation d'une résine dont l'indice varie en fonction de l'éclairement reçu, ou de l'épaisseur, par utilisation d'une résine dont la solubilité ou la réactivité chimique varie en fonction de l'éclairement reçu, et traitement physique ou chimique ultérieur pour enlever de la matière0 Tou tefoistces variations n'intéressent qu'une zone superficielle, sans possibilité d'obtenir des variations en fonction de la profondeur,en particulier s'il y a enlèvement de matière. Selon la présente invention, sous sa forme la plus générale, on réalise des profils de phase ou des profils d'amplitude, non seulement en surface mais aussi en profondeur de façon simple et peu conteuse. Dans un procédé selon l'invention, on déplace par balayage une fente lumineuse étroite portant une modulation représentative du profil à réaliser et ladite fente est focalisée sur un matériau photo-sensible à l'endroit où on veut réaliser ledit profil d'amplitude ou de phase. Un profil d'amplitude, ou de phase, peut être notamment un réseau de profil prédéterminé. Suivant l'invention, il est en effet possible d'adapter la modulation à un profil quelconque soit mécaniquement, soit électroniquement. On peut de même réaliser tout profil de phase en surface et en profondeur, c'est-à-dire d'une manière générale des profils d'indice à trois dimensions dans l'épaisseur d'un matériau optique, et en particulier des guides de lumière et/ou des réseaux de couplage simples ou imbriqués à l'entrée d'un guide de lumière, ce en une ou plusieurs couches, ce qui conduit à des applications intéressant l'optique intégrée. Les buts de la présente invention et ses avantages par rapport à l'art antérieur ressortiront mieux par référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et où: Fig. 1 représente un diagramme fonctionnel d'un dispositif suivant l'invention; Fig. 2 représente un mode de réalisation de la figure 1, Fig. 3 représente un mode de couplage connu entre un rayonnement et un guide de lumière. Fig. 4 montre un autre mode de couplage connu. Fig. 5 montre en maigre un profil sinusoldal par comparaison avec un profil idéal pour un réseau de couplage représenté en gras (et décalé). Fig. 6 montre suivant l'invention la réalisation d'un système intégré multicouche suivant une coupe transversale. Fig. 7 montre le schéma d'un dispositif pour l'applicaticn du procédé à la spectrographie interférométrique. La figure 1 décrit sous forme de diagramme le procédé général suivant l'invention. La source 1 est reliée à un modulateur temporel d'amplitude et de forme 2, l'objet 3 étant focalisé à l'aide d'une optique 4 sur le récepteur de phase ou d'amplitude 5 sur lequel on veut réaliser un profil. Un système de déplacement 6 engendre le balayage de l'image par rapport au récepteur 5. Un asservisement 7 coordonne le déplacement 6 et la modulation 2. La figure 2 illustre un dispositif très simple mettant en oeuvre le procédé de la figure 1. Une source 1A monochromatique stabilisée est modulée par un système bien connu comprenant un polariseur fixe 2A et un polariseur tournant 2B. L'objet est constitué par une lentille cylindrique 3A qui forme la fenteobjet 33 que l'on peut éventuellement diapfiragmer, Le système optique est constitué d'une lentille 4 génératrice de la fente image 5A sur la plaque photo 8 et d'un prisme translaté 4B servant au balayage de la fente image 5A.Un chariot 6A actionné par un moteur 6B est lié mécaniquement par l'intermédiaire d'un système à engrenage 7A au polariseur 23. On peut bien entendu envisager des systèmes plus élaborés. le polariseur tournant peut par exemple être constitué de secteurs de polariseurs de manière à engendrer un profil non si nusoldal, ou comporter des caches ou des encoches. On peut aussi utiliser des modulations plus élaborées#par exemple la modulation directe de la puissance de la lampe ou l'utilisation de cellules de Kerr ou de Pockels. On notera aussi que l'objet nta pas nécessairement une intensité constante sur toute son étendue, celle-ci pouvant être aussi déterminée par une modulation appropriée. Ceci peut être obtenu par exemple en déplaçant au niveau de l'objet une plaque photo représentant la modulation. l'objet peut être beaucoup plus grand que la fente image, si bien que la plaque photo n'a pas besoin d'avoir une très grande résolution. L'asservissement du déplacement du prisme à la modulation peut être réalisé par une électronique, la modulation pouvant autre réalisée mécaniquement et/ou électroniquement. On peut observer, sur ce point, que le dispositif mettant en oeuvre la translation d'un prisme, bien que n'étant pas le seul à pouvoir être utilisé, est particulièrement avantageux dans la mesure où l'angle du prisse peut Autre suffisamment petit pour que le déplacement de la fente image corresponde à des déplacements bien suparieurs du chariot moteur; il n'y a pas alors lieu d'avoir recours à des systèmes asservis de très grandes performances tels que ceux mettant en oeuvre un interféromètre. Suivant l'invention on peut donc réaliser des profils quelconques sans que des moyens très élaborés soient nécessaires. Pour ce qui est de l'emploi des photo-résines, on se référera utilement au chapitre VI de la thèse de JJ.Clair déjà citée, l'emploi des plaques photographiques à haute résolution étant iuffi,i,iment connu en soi. On conçoit que le procédé suivant l'invention a une limite de résolution qui dépend de la largeur de la fente et du grain propre à l'éiiiIsion ou à la résine photo-sensible. Il est cepen dazrt facile d'obtenir des résolutions de l'ordre de 1000 traitsf mm. En ce qui concerne la limite de résolution due aux dimensions de l'image, la limite théorique est de l'ordre de grandeur de la taille de la tache de diffraction. Les limitations dues aux émul- sions ou aux résines sont données par les fournisseurs et dépen- dent du traitement utilisé dans le développement. Il convient de noter enfin que, pour l'application du procédé, on n'est pas limité par la dimension du support. On va maintenant donner un certain nombre d' applications illustrant 1' invention. On peut selon l'invention réaliser des réseaux en surface de profils quelconques: soit d'amplitude, c'est-à-dire du type plaque photos notamment de réseaux à pas variables, à pas imbriqués, multiplicateurs d'image, dérivateurs etc..., soit de phase, avec une matière p#oto-sensible, notamment dans le cas des réseaux à pas variables, à pas iibriqués, et blasés. On peut de mêse réaliser toutes sortes de profils en profondeur en focalisant l'image à l'endroit désiré, et ceci en une ou plusieurs couches. Cette application conduit à envisager de façon plus détaillée les applications à l'optique intégrée. Dans les techniques susceptibles de développements industriels dans les domaines des transmissions et des télécommunications, les conduits de lumière ou guides d'onde sont de plus en plus à l'ordre du jour. Des techniques récentes conduisent à des affaiblissements en ligne de seulement 2 ou 3dB par kilomètre. Dans de tels guides d'onde, le problème le plus délicat réside dans le couplage entre la lumière du guide et les entrées ou les sorties. Un procédé connu consiste à disposer un prisme 12 (voir figure 3) au voisinage du guide d'onde. Les ondes évanescentes 13 traversent l'espace d et une partie de la lumière incidente est piégée dans le guide d'onde. Un procédé connu utilise un réseau plan de couplage 14 (voir figure 4). On a calculé (cf. les publications de Dakeset ai. et de KogelnAk citées plus haut) le profil du réseau qui donne en théorie le couplage optimum. Ce profil est figuré en gras sur la figure 5.Un tel réseau n'est pas réalisable actuellement et l'on doit se contenter, comme forme appropriée, d'une sinuso#e, représentée en maigre sur la le- me figure 5, et le rendement n'est donc pas optimal. De plus, l'évolution de la technologie Ta vers des guides d'onde noyés dans un substrat et des techniques multicouches. Le procédé suivant l'invention permet de réaliser un réseau de couplage possédant le profil théorique optimum. Un tel réseau peut être réalisé pour une seule longueur d'onde ou être imbriqué, ce qui lui permet de fonctionner avec plusieurs longueurs d'onde. Il a été établi en effet qu'il suffit d'un nol- bre relativement limité de traits pour se rapprocher de façon satisfaisante de couplage optimal. Si on désire obtenir le couplage pour plusieurs longueurs d'onde, avec le même angle de couplage, on peut donc imbriquer les réseaux propres à chaque longueur d'onde. On peut obtenir aussi plusieurs réseaux distincts fonctionnant chacun sur une ou plusieurs longueurs d'onde permettant de réaliser des multiplexages à l'entrée et à la sortie avec des rendements inconnus jusqu'à présent. De telles réalisations sont possibles non seulement pour des guides disposés en surface mais aussi (c$ figure 6)pour des guides 17 ou 18 disposés en profondeur dans le substrat 15, suivant plusieurs couches d'optique intégrée multicouches. On peut de même réaliser le guide d'onde lui-même avec le profil d'indice que l'on souhaite. On réalise alors le profil d'indice guide et/ ou réseaux plan par plan ou couche par couche. En particulier, le procédé selon l'invention permet, de façon particulièrement aisée, d'obtenir en une seule opération le guide et ses profils de couplage.Il est même possible de faire, encore, dans la même opération, tous les éléments nécessaires à la propagation et à la transformation de l'information, tels que ceux permettant remise en forme, changement de direction, changement de fréquen ceamplication, polarisation, multiplexage.. Une autre série d'applications du procédée l'invention est ouverte par l'utilisation de matériaux qui n'ont pas d'effet de mémoire, c'est-à-dire que, lorsque la lumière est interrompue, l'indice revient à sa valeur initiale. On sait que la propagation de la lumière dans un guide dépend du rapport des indices du guide et de la région qui l'entoure. En faisant varier ce rapport par un faisceau annexe, on obtient une modulation de l'onde principale du guide. On peut obtenir aussi bien une modulation proportionnelle qu'un effet de tout ou rien. Dans ce cas, le système de déplacement relatif est utilisé pour commuter la modulation d'un guide à un autre. En généralisant ce procédé, on obtient un amplificateur purement optique de luminance d'image mobile.En effet, si on arrange des dispositifs de ce type suivant une trame xy et si on arrange la trame des guides d'onde de la même façon, on peut moduler les faisceaux annexes correspondant à chaque guide d'onde en fonction de l'intensité aux différents points de l'image. Une autre application du procédé selon l'invention est relative à la spectroscopie interférométrique de Fourrier sset par exemple au procédé d'étude de rayonnement inventé par MM Maréchal et Fatunato et décrit dans la demande de brevet français n0 73 Ou340, Dans ce procédé, on compare le spectre d'un rayonnement à celui d'un rayonnement de référence en projetant l'inter férogranime du rayonnement à étudier sur un enregistrement de ~,l#interférogramme de référence et en le déplaçant par rapport à cet enregistrement de façon à recueillir un flux modulé résultant de la corrélation. On voit que, dans cette méthode, ce sont surtout les franges d'ordre élevé qui donnent l'information significative. Comme l'amplitude diminue de façon parabolique à partir du centre, on a un intérêt à disposer d'un filtre d'amplitude, qui peut être obtenu de façon très simple > selon l'invention, par un dispositif tel que celui qui fait l'objet de la figure 7. Un interféromètre de Michelson 1 règle un coin d'air éclairé par une source Ss projette un spectre de franges sur une fente 2 placée devant un récepteur 3 photo-électrique. Un des miroirs 4 de l'interféromètre est porté par un chariot 5 qui se déplac#e de façon continue sous l'action d'un moteur k. les signaux du récepteur 3 sont transmis à un amplificateur différentiel 6 qui alimente une source lumineuse 7 dont l'image est projetée, par l'intermédiaire d'une lentille 8, sur une plaque de matière photo-sensible 9, par exemple une plaque photographique, portée par le chariot 5. Un second récepteur 10 sensible à la lumière émise par la source 7 alimente en retour l'amplificateur 6 par l'intermédiaire d'un amplificateur de contre réaction 11, de façon à se prémunir contre les variations d'intensité de la source 7 à alimentation égale0 Dans l'alimentation de l'amplificateur 6 est en outre introduite une loi de variaticn A2 parabolique en fonction du déplacement du chariot 5, grâce à un programmateur 12 On obtient ainsi un filtre à variation parabolique d'amplitude qui améliore les performances du procédé connu. Il convient de remarquer qu'un dispositif du genre de celui qui vient d'être décrit convient même si des longueurs de de la lumière envoyée sur l'interféromètre ne correspondent / à la lumière visible ou susceptible d'impressionner la matière photo-sensible, à condition d'utiliser un récepteur 3 convenable. Le dispositif permet donc aussi d'obtenir des interférogrammes pour des rayonnements très différents de la lumière visible. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de profils sur ou dans un matériau photosensible dans lequel on forme une image lumineuse sur ou dans le matériau et on déplace cette image par rapport au iaté- riau par balayage, caractérisé en ce qu'on module l'intensité de la lumière de cette image en même temps qu'on la déplace. 2. Procédé suivant la revendication 1caractérisé en ce qu'on forme et déplace l'image sur la surface du matériau. 3.Procédé Suivant la revendication 'l,.t convenant particulièrement pour l'obtention d'un Profil de phase, caractérisé en ce qu'on forte et déplace l'image dans la profondeur du matériau. 4. Procédé suivant la revendication 3,caractérisé en ce qu'on balaye à l'aide d'une image luilieuse l'ensemble du volume d'@@@ résine photo-sensible de lanière à obtenir un profil de phase à trois dimensions. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 i8 4r et destiné à la réalisation de guide de lumière, caractérisé en ce que pour réaliser les entrées et sorties, ou module de la lumière de l'image selon une loi choisie pour obtenir un réseau dont le profil est voisin du profil théorique connu pour donner le couplage optiiua. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on réalise ep ure seule opération le guide et ses profils de couplage. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on réalise encore, dans la même opération, tous les éléments nécessaires à la propagation et à la transformation de l'infor- mation. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'on réalise des réseaux de couplage et des guides de lumière couche par couche formant ainsi un systé- me dit d'optique intégréemulticouche. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, particu fièrement adapté à la réalisation de mémoires à grande capacité, caractérisé en ce que le balayage et la modulation sont codés en fonction des informations qu'on désire mettre en mémoire. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 > particu- lièrement adapté à la modulation de l'onde principale d'un guide de lumière caractérisé en ce qu'on constitue ce guide en un la- matériau n'ayant pas d'effet de mémoire et qu'on envoie sur lui un faisceau annexe modulé de façon à modifier ses indices de réfraction et, par là > les caractéristiques de propagation de la lumière. 11. Procédé selon la revendication 10 > particulièrement adapté à l'obtention d'un amplificateur purement optique de luminance d'image mobile, caractérisé en ce qu'on utilise des guides d'onde suivant une trame y et qu'on module des faisceaux anne- xes correspondant à ces guides d'onde en fonction de l'intensité aux différents points de l'image. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3,et cozwe- nant particulièrement pour l'obtention d'un filtre pour amélio- rer les performances d'un appareil de spectroscopie interféron## trique, caractérisé en ce que la modulation est commandée à la fois par les variations d'intensité correspondant aux franges provenant d'un interféromètre alimenté avec une lumière de référente set par Une loi de correction parabolique en fonction de l'ordre des franges. 13. Dispositif pour la mise en oeuvre des procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12 où la lumière provenant d'une source est modulée de manière connue en soi et focalisée sur une fente, dite fente-objet, caractérisé en ce que l'image de ladite fente-objet est reprise par une lentille cylindrique qui la focalise sur le récepteur à travers un prisme suivant une fente image, une translation dudit prisme le long de l'axe optique réalisant alors le balayage suivant un plan image. 14. Dispositif suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'au niveau de la fente objet on déplace en synchronisme avec la translation du prisme un masque représentatif du profil à reproduire. 15. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un interféromètre de Michelson dont un des miroirs est mobile et solidaire d'un chariot qui porte également le matériau dont on désire faire le filtre, en ce que la lumièrenenvoyée par l'interféromètre et sur un récepteur photoélectrique à travers une fente /en ce que les signaux émis par le récepteur sont envoyés en même temps que les signaux correspondant à la loi parabolique choisie dans un organe de commande de la modulation de l'intensité de l'image lumineuse. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'interféromètre reçoit des radiations de longueur d'onde écartée de celles du spectre visible et que le récepteur est sensible à ces radiations.