Brevet FR2770911A1 — publié le 19990514

DISPOSITIF OPTIQUE A GUIDE D'ONDES POUR LE TRANSFERT D'ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE SOUS FORME D'UN FAISCEAU DE RAYONNEMENT La présente invention concerne un dispositif optique à guide d'ondes pour le transfert d'énergie électromagnétique sous forme d'un faisceau de rayonnement en régime sub-longueur d'onde. On connaît déjà des guides d'ondes optiques qui sont utilisés pour le transport d'informations à grande distance au moyen de faisceaux de photons guidés dans des fibres optiques. Pour avoir des conditions de propagation bien nettes, ces dispositifs optiques doivent avoir nécessairement des structures rectilignes de grande longueur par rapport à la longueur d'onde propagée. Par ailleurs, ces guides d'ondes optiques ont une dimension transversale maximale relativement importante et lorsque plusieurs de ces guides d'ondes sont disposés en parallèle, ils doivent être suffisamment éloignés les uns des autres pour éviter tout couplage optique entre eux. Ceci conduit à des dispositifs de transmission d'informations d'un encombrement notable. En outre, pour que ces guides d'ondes optiques connus puissent fonctionner d'une manière satisfaisante, le rayonnement incident, c'est-à-dire pénétrant à travers la face d'entrée du guide d'ondes, doit être aligné suivant l'axe de propagation défini par la structure matérielle du guide d'ondes et il est évident que cette exigence n'est pas toujours facile à respecter. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant un dispositif optique à guide d'ondes de dimension transversale réduite et fonctionnant parfaitement même lorsque le rayonnement incident d'entrée n'est pas aligné suivant l'axe de propagation, l'angle d'incidence du faisceau d'entrée pouvant être même supérieur à l'angle critique de réflexion totale. A cet effet, ce dispositif optique à guide d'ondes pour le transfert d'énergie électromagnétique sous la forme d'un faisceau de rayonnement dont la longueur d'onde peut être comprise dans la plage de la lumière visible et du rayonnement infrarouge proche, comportant un guide d'ondes s'étendant entre un milieu d'entrée et un milieu de sortie, ayant une structure matérielle transparente vis-à-vis du rayonnement transmis et allongé dans le sens de propagation du rayonnement, est caractérisé en ce que la structure matérielle du guide d'ondes a une dimension transversale maximale D,, dans le plan du faisceau de rayonnement incident I, qui est inférieure à la moitié de la longueur d'onde k du faisceau incident, la structure matérielle du guide d'ondes présente des inhomogénéités du point de vue de l'indice de réfraction optique dans le sens de propagation Z du rayonnement et le rayonnement transféré est recueilli à une distance sub-micronique de la face de sortie du guide d'ondes du dispositif optique. Le dispositif optique à guide d'ondes suivant l'invention offre de nombreux avantages par rapport aux guides d'ondes connus à ce jour. En premier lieu, il permet de réaliser des propagations contrôlées d'un rayonnement électromagnétique sur des distances très courtes, submicroniques. I1 permet également de mettre en parallèle des guides optiques très rapprochés sans qu'intervienne un phénomène de couplage optique entre eux. Les applications pratiques envisageables pour le dispositif optique suivant l'invention sont nombreuses et variées. I1 peut notamment être utilisé, du fait que la dimension transversale maximale de la structure matérielle du guide d'ondes est inférieure à la moitié de la longueur d'onde incidente, pour la lecture optique de disques compacts à très haute densité d'informations. En optoélectronique, il peut être également employé pour établir une jonction entre deux composants électroniques, sans exiger un alignement précis de ces deux composants. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif optique à guide d'ondes suivant l'invention, - la figure 2 est un diagramme illustrant la variation du rapport de transmission ou de conductivité optique du guide d'ondes suivant l'invention. - la figure 3 est une vue en coupe verticale d'une variante d'exécution d'un dispositif optique à guide d'ondes suivant l'invention, - la figure 4 est une vue en plan du dispositif optique représenté sur la figure 3. Sur la figure 1 est représenté un dispositif optique suivant l'invention comportant un guide d'ondes optique 1 pour le transfert d'énergie électromagnétique, sous forme d'un rayonnement entre un milieu d'entrée 2 et un milieu de sortie 3 de même indice de réfraction. Le rayonnement électromagnétique devant être transmis du milieu d'entrée 2 au milieu de sortie 3, à travers le guide d'ondes 1, est introduit dans le milieu 2 suivant un angle quelconque par rapport à l'axe de propagation Z du rayonnement. Cet axe de propagation Z est l'axe du guide d'ondes 1 et il est perpendiculaire à la face de sortie 2a du milieu d'entrée 2 et à la face d'entrée 3a du milieu de sortie 3. Le rayonnement électromagnétique devant être transmis est représenté sur la figure 1, sous la forme d'un faisceau incident I qui n'est pas forcément aligné suivant l'axe de propagation Z du rayonnement et dont l'angle d'incidence 00, c'est-à-dire l'angle qu'il forme avec l'axe de propagation Z, peut même être supérieur à l'angle critique de réflexion totale. Suivant l'invention, le guide d'ondes 1 présente dans le sens de propagation du rayonnement, c'est-à-dire dans la direction de l'axe Z, des inhomogénéités du point de vue de l'indice de réfraction optique. Cette succession d'inhomogénéités peut être obtenue au moyen de polyèdres 4 (des plots ou pavés dans l'exemple du dessin) diélectriques, semi-conducteurs ou métalliques, espacés régulièrement dans le sens de l'axe de propagation Z. Ces polyèdres sont séparés les uns des autres par des interstices ou volumes d'un autre matériau 5. Dans une forme d'exécution de l'invention, les polyèdres 4 sont en un matériau dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est négative séparés les uns des autres par des espaces de matériau 5 dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est positive. Suivant une variante de réalisation les polyèdres 4 peuvent être aussi en un matériau dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est positive séparés les uns des autres par des espaces de matériau 5 dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est négative. Suivant l'une des caractéristiques du guide d'ondes 1 la dimension transversale maximale Do est inférieure à la moitié de la longueur d'onde incidente x du rayonnement dans l'air ou le vide. Dans un mode de réalisation pratique dans lequel cette longueur d'onde X est égale à 600 nm, la dimension Do a été choisie égale à 240 nm. Les milieux d'entrée 2 et de sortie 3, ainsi que les interstices 5 du guide d'ondes 1 ont été réalisés en verre, d'indice de réfraction n = 1,5, et les polyèdres 4 ont la forme de pavés d'indice de réfraction n = 2,1. De ce fait la longueur d'onde effective dans le verre a été de 600 : 1,5 nm = 400 nm. La distance entre les pavés 4 a été choisie sensiblement égale à la moitié de cette longueur d'onde effective, c'est-à-dire à 200 nm. L'épaisseur des polyèdres 4, c'est-à-dire dans le sens de l'axe de propagation Z, n'est pas en elle-même critique et elle a été prise égale à 240 nm. Enfin, la distance Lo entre les milieux d'entrée 2 et de sortie 3, c'est-à-dire la longueur du guide d'ondes 1, a été choisie égale à 2440 nm, c'est-àdire très supérieure à la longueur d'onde x du faisceau incident, afin que l'effet tunnel optique entre les deux milieux d'entrée 2 et de sortie 3 soit négligeable au point d'être quasiment indétectable. Sur la figure 2 sont représentées des courbes donnant la variation de l'intensité normalisée T du champ électromagnétique en fonction de la longueur d'onde x du rayonnement. L'intensité normalisée T (ou encore rapport de transmission ou de conductivité optique) est définie comme étant le module au carré du rapport entre l'amplitude E Mathématiquement ce rapport ne peut excéder 1 si l'on fait le bilan des puissances transmises à grande distance. Le guide d'ondes suivant l'invention est également soumis à cette contrainte et la quantité d'énergie électromagnétique transmise à grande distance est négligeable. Par contre, localement, dans la zone proche ou dans le champ proche de la sortie du guide d'ondes, c'est-à-dire à très courte distance de la face d'entrée 3a du milieu de sortie 3 (position du point P sur la figure 1) rien n'empêche que le rapport T devienne supérieur à l'unité. I1 est donc possible que le rapport T devienne supérieur à 1 si Z s'approche de L0comme on peut le voir sur la figure 2. La courbe A de variation du rapport T, pour une valeur de Do = 240 nm, fait apparaître clairement une bande passante, appelée encore "résonance", de part et d'autre de la longueur d'onde de 600 nm pour laquelle un guide d'ondes continu (courbe C) est opaque. D'après ce qui précède on voit que la mise en oeuvre et l'exploitation du dispositif optique suivant l'invention exige un moyen de détection locale du champ électromagnétique optique. Ce moyen de détection est situé au point P à une distance sub-micronique de la sortie du guide d'ondes 1, c'est-à-dire de la face d'entrée 3a du milieu de sortie 3. Les figures 3 et 4 représentent une variante d'exécution du dispositif optique suivant l'invention dans laquelle le guide d'ondes 1, constitué de la succession de polyèdres 4 situés à distance les uns des autres, est disposé sur la surface supérieure d'un substrat 6 dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est nettement inférieure à celles du milieu d'entrée 2 et du milieu de sortie 3. Avec une telle configuration, l'injection du signal optique peut être effectuée suivant un mode évanescent (non radiatif). Comme précédemment, la structure du guide d'ondes est périodique le long de l'axe de propagation Z et l'ajustement de la période ou du pas p des polyèdres 4 permet de localiser le maximum de la courbe de transmission (courbe A de la figure 2) dans un domaine du spectre optique ou infrarouge défini au préalable. REVENDICATIONS 1 - Dispositif optique à guide d'ondes (1) pour le transfert d'énergie électromagnétique sous la forme d'un faisceau de rayonnement (I) dont la longueur d'onde peut être comprise dans la plage de la lumière visible et du rayonnement infrarouge proche, comportant un guide d'ondes (1) s'étendant entre un milieu d'entrée (2) et un milieu de sortie (3), ayant une structure matérielle transparente vis-à-vis du rayonnement transmis et allongé dans le sens de propagation du rayonnement(Z), caractérisé en ce que la structure matérielle du guide d'ondes (1) a une dimension transversale maximale (duo) dans le plan du faisceau de rayonnement incident (I), qui est inférieure à la moitié de la longueur d'onde x du faisceau incident (I), la structure matérielle du guide d'ondes (1) présente des inhomogénéités du point de vue de l'indice de réfraction optique dans le sens de propagation du rayonnement (Z) et le rayonnement transféré est recueilli à une distance submicronique de la face de sortie (3a) du guide d'ondes (1) du dispositif optique. 2 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la structure matérielle du guide d'ondes (1) est constituée d'une succession de polyèdres de matériau diélectrique (4) séparés régulièrement les uns des autres par des espaces d'air ambiant (5) ou de matériau diélectrique d'indice de réfraction inférieur à celui des polyèdres (4). 3 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la structure matérielle du guide d'ondes (1) est constituée d'une succession de polyèdres (4) de matériau dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est négative séparés les uns des autres par des espaces de matériau (5) dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est positive. 4 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la structure matérielle du guide d'ondes (1) est constituée d'une succession de polyèdres (4) de matériau dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est positive séparés les uns des autres par des espaces de matériau (5) dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est négative. 5 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les polyèdres (4) sont espacés les uns les autres d'une distance sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde effective du rayonnement dans les polyèdres (4). 6 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le milieu d'entrée (2) et le milieu de sortie (3) ont un même indice de réfraction. 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce la structure matérielle du guide d'ondes (1) est formée sur un substrat (6) dont la partie réelle de la fonction diélectrique à la longueur d'onde considérée est nettement inférieure à celles du milieu d'entrée (2) et du milieu de sortie (3).