Brevet FR2906934A1 — publié le 20080411

DETECTEUR OPTIQUE ULTRASENSIBLE A GRANDE RESOLUTION TEMPORELLE, UTILISANT UN COUPLAGE A RESEAU DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un détecteur 5 optique ultrasensible, à grande résolution temporelle, et en particulier un détecteur supraconducteur de photon unique (en anglais, superconducting single photon detector), plus simplement appelé SSPD. Le détecteur objet de l'invention utilise 10 un couplage à réseau (en anglais, grating) et il est apte à fonctionner sous incidence normale. L'invention s'applique notamment à la détection et à la localisation des défauts de fonctionnement d'un circuit intégré semi-conducteur, 15 par détection de l'émission de photons spécifiques par des transistors défaillants. Elle s'applique aussi aux circuits de réception et de routage pour les télécommunications à très haut débit, en particulier à ceux qui sont 20 destinés aux satellites de télécommunication, à cause de la très faible dissipation thermique du détecteur objet de l'invention. L'invention s'applique en outre au codage et à la détection de la clé du code quantique dans un 25 système de cryptographie. Elle s'applique également à la fabrication de matrices de détecteurs pour l'imagerie de très haute 2906934 2 sensibilité, ainsi qu'à la tomographie à un photon ou à photons corrélés. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Des techniques émergentes, telles que le calcul et la cryptographie quantique, le test de défaillance de circuits intégrés en micro-électronique, l'imagerie médicale à détection photonique, la détection d'objets biologiques ou la détection de très faibles signaux pour les télécommunications ou l'astronomie, nécessitent des détecteurs de rayonnements, en particulier dans le domaine visible ou le domaine proche infra-rouge, qui soient très rapides, aient une gigue (en anglais, jitter) très faible, fassent très peu de bruit et soient extrêmement sensibles : ils doivent être capables de détecter de très faibles flux, voire un photon unique. A ce sujet, on se reportera au document [Romestain 04] qui, comme les autres documents cités par 20 la suite, est mentionné à la fin de la présente description. Les SSPD ont potentiellement toutes les qualités mentionnées ci-dessus et sont de bons candidats pour remplacer les photodiodes à avalanche et 25 les tubes photomultiplicateurs actuels, dont les performances sont limitées, particulièrement dans le domaine infrarouge. Les SSPD existent sous forme de STJ, c'est- à-dire de jonctions tunnel supraconductrices (en 30 anglais, superconducting tunnel jonctions), et sous 2906934 3 forme de bolomètres, parmi lesquels on trouve les bolomètres appelés HEB, à savoir les bolomètres à électrons chauds (en anglais, hot electron bolometers), qui sont les plus rapides. 5 Les HEB utilisent des films supraconducteurs ultra-minces, dont l'épaisseur vaut moins de 10 nm, pour obtenir des temps caractéristiques très courts, de l'ordre de 10 ps (voir [FR 2 812 455]). Pour ces films, le matériau de prédilection est le 10 nitrure de niobium (NbN) en phase cubique B1. Dans ces HEB, le film de NbN est épitaxié sur un substrat qui est typiquement en saphir et dont l'orientation est 1102 (plan R) ; et après structuration, ce film forme des méandres dont la 15 largeur est de l'ordre de 100 nm, le film ayant ainsi la forme d'un serpentin dans la partie active du détecteur (voir [Villégier 04]). La figure 1A est une vue en coupe schématique d'un tel détecteur. Sur cette figure, le film de NbN et le substrat ont respectivement les références 2 et 4. La figure 1B est une vue de dessus schématique du détecteur. Un faisceau lumineux I arrive sur ce dernier, sous une incidence normale, et lui est couplé par l'intermédiaire d'une fibre optique (non représentée). Les références R et T correspondent respectivement aux faisceaux lumineux réfléchi et transmis. La projection du faisceau incident I sur le détecteur est représentée en pointillés sur la figure 1B où elle a la référence 1. 2906934 4 La fabrication, le fonctionnement et la caractérisation de ces détecteurs SSPD sont décrits par exemple dans [Goltsman 03]. L'efficacité de détection, ou efficacité de conversion du photon en un signal 5 électrique, est un paramètre-clé qu'il faut optimiser et qui vaudrait 100% pour un détecteur idéal. Il dépend du taux de remplissage (taux de recouvrement du faisceau incident et de la zone active du détecteur), de l'absorption optique dans la couche 10 de NbN et de la capacité du point chaud (en anglais, hot spot), qui est formé par suite de l'absorption du photon, à créer une barrière résistive transitoire sur toute la largeur de la piste supraconductrice. On distingue l'efficacité de détection de l'efficacité 15 quantique qui est définie pour un taux de recouvrement de 100%. La structure en serpentin a été imaginée pour augmenter le taux de remplissage par rapport à une simple piste droite de NbN, déposée sur un substrat de 20 saphir et éclairée sous une incidence normale. Dans les dernières réalisations (voir [Yang 05]), le taux de remplissage atteint 75%. L'absorption optique par le NbN est de l'ordre de 30% pour une épaisseur de 4 nm, à la 25 longueur d'onde de 1,55 m. La seule façon de l'augmenter serait d'augmenter l'épaisseur de la couche de NbN, mais le rapport entre la section du point chaud et la section de la bande supraconductrice diminuerait, puisque la largeur de cette bande est limitée à environ 30 50 nm, et cela provoquerait une chute de l'efficacité globale. 2906934 5 L'efficacité de détection ne peut donc excéder, en théorie, 20 à 25% à 1,55 m (pour un facteur de remplissage de 75%) avec cette architecture qui est principalement limitée par la très faible épaisseur de 5 la couche de NbN éclairée sous incidence normale. Il serait probablement difficile d'augmenter l'efficacité de détection de façon substantielle sans changer la conception du couplage optique. Les détecteurs réalisés avec un facteur de 10 remplissage de 50% présentent d'ailleurs des efficacités de 5 à 10% à 1,551m (voir [Korneev 05]). Plusieurs solutions ont été proposees pour augmenter le couplage de la lumière dans la région absorbante du détecteur. 15 On a par exemple proposé d'utiliser un miroir et une couche anti-reflet. La lumière qui a traversé le NbN sans avoir été absorbée est alors renvoyée sur le NbN par un miroir concave (voir [FR 2 812 455]) ou par un miroir plan (voir [Le Coupanec 20 03] et [Rosfjord 06]). Une couche anti-reflet, qui est déposée sur la face arrière du substrat si l'incidence se fait par l'arrière, permet en outre de réduire les pertes par réflexion de l'onde incidente. L'efficacité de détection atteint des valeurs de l'ordre de 50%. 25 On a également proposé d'utiliser un couplage par guide d'onde (voir [Jackson 03]). Selon cette approche, qui est schématiquement illustrée par la figure 2, la lumière 6 issue d'une fibre optique monomode 8 est focalisée suivant une ligne par un 30 élément d'optique diffractive 10 et injectée par ce dernier dans un guide d'onde plan multimode en silicium 2906934 6 12 qui est formé sur un substrat en silice 14. On précise que ce guide d'onde est monomode verticalement mais multimode latéralement. Un serpentin de NbN 16 est déposé par- 5 dessus ce guide de silicium. Les extrémités de ce serpentin sont respectivement pourvues de plots de contact 18 et 20. Le serpentin 16 absorbe l'onde évanescente qui est associée au mode guidé. Un photon, que l'on veut détecter, est 10 susceptible d'être absorbé par une branche des méandres formés par le serpentin, à chaque passage de l'onde évanescente. L'absorption de l'énergie lumineuse par le NbN peut, en principe, approcher 100% si les méandres sont suffisamment nombreux. Mais, de ce fait, 15 l'efficacité de détection est limitée par la grande longueur de NbN. De plus, la faisabilité de la croissance du NbN monocristallin sur le silicium n'a pas encore été clairement démontrée : la croissance épitaxiale de NbN 20 sur Si nécessite des traitements de surface délicats du silicium ainsi que l'étude du dépôt de couches d'interface par épitaxie. On pourra également se reporter au document [Wang 04]. Dans ce dernier, on étudie l'absorption d'une 25 couche de NbN, placée dans un empilement de couches planes, dans lequel se propage une onde guidée. Un exemple d'une telle structure est schématiquement représenté sur la figure 3A où l'on voit un substrat 22 recouvert d'une couche de saphir 30 24, servant de guide d'onde, et une couche de NbN 26 qui recouvre cette couche 24. Dans une variante, qui 2906934 7 est schématiquement représentée sur la figure 3B, la couche de NbN est comprise entre le substrat et la couche de saphir. Si le guide d'onde est une telle couche de 5 saphir d'épaisseur appropriée, la longueur de NbN nécessaire pour absorber la lumière est typiquement de quelques dizaines de micromètres (les calculs étant faits en une dimension, pour des guides plans). Cependant, ni la structuration du guide 10 d'onde et du NbN dans le plan des couches, ni la réalisation pratique du détecteur ne sont envisagées dans ce document [Wang 04] : on n'y donne aucune solution technologique incluant le choix des matériaux, un procédé de fabrication et les modalités d'injection 15 de la lumière dans la structure considérée. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention vise à résoudre le problème de la conception d'un détecteur optique 20 ultrasensible, à grande résolution temporelle, en particulier d'un détecteur de type SSPD, ce détecteur présentant une efficacité de détection nettement supérieure à celles qui sont obtenues dans l'art antérieur, ce détecteur étant apte à fonctionner sous 25 incidence normale et étant en outre réalisable par des moyens technologiques existants. Le fonctionnement sous incidence normale permet d'envisager un système de positionnement simple et d'encombrement réduit dans un cryostat, et la 30 possibilité d'extension du principe du couplage à une matrice de détecteurs utilisée par exemple en imagerie. 2906934 8 De façon précise, la présente invention a pour objet un détecteur optique, destiné à détecter au moins un photon, ce détecteur comprenant : - un substrat diélectrique, ayant un indice 5 de réfraction no, et - un élément de détection formant un serpentin, l'élément de détection étant placé sur le substrat diélectrique et prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons 10 reçus, ce détecteur optique étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réseau (en anglais, grating) diélectrique unidimensionnel, comportant des lignes parallèles, à savoir des premières lignes qui 15 sont faites d'un premier matériau diélectrique ayant un indice de réfraction nH, et des deuxièmes lignes qui alternent avec les premières lignes et qui sont faites d'un milieu diélectrique ayant un indice de réfraction nH, le réseau diélectrique unidimensionnel étant placé 20 au-dessus de l'élément de détection, l'ensemble constitué par le réseau diélectrique unidimensionnel et l'élément de détection présentant une résonance d'absorption du ou des photons, sous une incidence donnée et pour une polarisation donnée de ce ou ces 25 photons, nH étant supérieur à no et à nB. La structure du détecteur optique, objet de l'invention, permet d'améliorer considérablement l'efficacité de détection à l'aide du reseau diélectrique unidimensionnel situé au-dessus de 30 l'élément de détection formant un serpentin. 2906934 9 Remarquons que le détecteur, objet de l'invention, doit pouvoir fonctionner avec un très faible flux de photons. La probabilité d'absorption d'un photon est supposée proportionnelle à l'intensité 5 locale du champ que l'on aurait avec un flux de photons important et continu (mêmes cartographies). De préférence, l'incidence donnée est une incidence normale. Le détecteur optique, objet de l'invention, 10 peut comprendre en outre un superstrat diélectrique ayant un indice de réfraction ni, ce superstrat diélectrique étant placé au-dessus du réseau diélectrique unidimensionnel, nH étant en outre supérieur à ni. 15 Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le pas (en anglais, pitch) A du réseau diélectrique unidimensionnel est inférieur à Xo/no, où X0 représente la longueur d'onde dans le vide du ou des photons, et le couple (wr/A, d) est choisi pour 20 conduire à la résonance d'absorption, où wr représente la largeur des premières lignes du réseau diélectrique unidimensionnel et d représente l'épaisseur de ce réseau diélectrique unidimensionnel. Lorsque le détecteur optique comporte en 25 outre le superstrat mentionné plus haut, A est en outre inférieur à Xo/ni. La différence nn-nB est de préférence supérieure à 1. 2906934 10 Selon un mode de réalisation préféré du détecteur optique objet de l'invention, l'élément de détection est fait d'un matériau supraconducteur. 5 Ce matériau supraconducteur peut être une phase de nitrure supraconductrice. Cette phase peut être le nitrure de niobium. Selon un mode de réalisation particulier de 10 l'invention, le serpentin comporte des lignes parallèles, reliées les unes aux autres, et chaque ligne du serpentin est disposée en regard de l'une des lignes du réseau diélectrique unidimensionnel. 15 Selon un mode de réalisation particulier du détecteur optique objet de l'invention, le serpentin comporte des lignes parallèles, reliées les unes aux autres, et chaque ligne du serpentin est disposée en regard de l'une des premières lignes du réseau 20 diélectrique unidimensionnel. Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, Le serpentin comporte des lignes parallèles, reliées les unes aux autres, et les 25 lignes du serpentin et les premières lignes du réseau diélectrique unidimensionnel ont la même largeur et forment des ensembles périodiques ayant la même période. 30 Selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention, les premières lignes du 2906934 11 réseau diélectrique unidimensionnel ont des largeurs différentes wrL et wrs et les premières lignes dont la largeur vaut wrL alternent avec celles dont la largeur vaut wrS Les deuxièmes lignes du réseau diélectrique unidimensionnel peuvent aussi avoir des largeurs différentes. 10 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le détecteur optique comprend en outre une couche intermédiaire qui est faite d'un matériau diélectrique ayant un indice de réfraction n supérieur à nB et qui est placée entre l'élément de détection et 15 le réseau diélectrique unidimensionnel. La présente invention concerne aussi un détecteur optique, destiné à détecter un ou des photons, ce détecteur optique comprenant un séparateur 20 de polarisation (en anglais, polarisation splitter) comportant une voie (en anglais, port) d'entrée, destinée à recevoir le ou les photons, et deux voies de sortie qui sont respectivement reliées a deux détecteurs optiques conformes à l'invention. 25 La présente invention concerne en outre une matrice de détecteurs optiques conformes à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 30 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation 5 2906934 12 donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure lA est une vue en coupe 5 schématique d'un détecteur connu, de type SSPD, et a déjà été décrite, la figure 1B est une vue de dessus schématique du détecteur de la figure 1A, et a déjà été décrite, 10 - la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un autre détecteur connu, de type SSPD, et a déjà été décrite, - les figures 3A et 3B sont des vues schématiques de structures multicouches planes connues, 15 à ondes guidées, et ont déjà été décrites, - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un premier exemple du détecteur objet de l'invention, - la figure 5 illustre schématiquement les 20 ondes qui sont mises en jeu dans le réseau que comporte le détecteur de la figure 4, - les figures 6 à 8 sont des vues en coupe schématiques d'autres exemples de détecteurs conformes à l'invention, et 25 - la figure 9 est une vue schématique d'un détecteur optique comprenant un séparateur de polarisations et deux détecteurs conformes à l'invention. 2906934 13 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un exemple du détecteur objet de l'invention. Ce détecteur est destiné à détecter une 5 lumière incidente 28, constitué d'un photon unique ou de plusieurs photons. La structure considérée sur la figure 4 comprend un substrat diélectrique 30, dont l'indice de réfraction est noté no, et une couche supraconductrice 10 ultra-mince 32, par exemple en NbN, dont l'épaisseur vaut quelques nanomètres, sur le substrat diélectrique 30. Ce dernier est approprié au dépôt de la couche 32. Cette couche 32 est destinée à engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des 15 photons reçus. Elle forme un serpentin et donc des méandres comme dans l'art antérieur. On se reportera par exemple à la figure 1B des dessins annexés où la couche comporte des lignes parallèles reliées les unes aux autres par des segments 20 qui sont plus courts que ces lignes et sont perpendiculaires à celles-ci. D'autres configurations sont envisageables pour le serpentin, de préférence des configurations dans lesquelles le serpentin couvre la plus grande 25 surface possible dans la zone éclairée par la lumière incidente, de façon qu'un maximum de photons soit absorbé par le supraconducteur dont est fait le serpentin. Le détecteur de la figure 4 comprend aussi 30 un réseau (en anglais, grating) diélectrique unidimensionnel 34, comprenant des lignes parallèles 36 2906934 14 qui sont formées par-dessus la couche supraconductrice 32, dans un matériau diélectrique de haut indice nH. Ces lignes 36 alternent avec d'autres lignes 38 qui sont faites d'un milieu diélectrique de bas indice n$. 5 Comme on le voit, les lignes 36 et 38 sont parallèles aux lignes de la couche 32. En outre, le détecteur comprend un superstrat diélectrique 40 dont l'indice de réfraction est noté ni.. Ce superstrat est placé au-dessus du 10 réseau diélectrique 34. La période, ou pas (en anglais, pitch), du réseau 34 est notée A, la largeur des lignes de haut indice wr et la largeur des lignes de bas indice wg. Il convient de noter que, dans l'exemple de 15 la figure 4, toutes les lignes 36 du réseau 34 ont la même largeur wr et l'on dit alors que le réseau est symétrique. De plus, les lignes supraconductrices 44 de la couche 32 sont séparées par des intervalles 46 qui 20 sont fait d'un matériau diélectrique dont l'indice de réfraction est noté nF. Le principe de fonctionnement du détecteur de la figure 4 est fondé sur l'excitation d'une résonance d'absorption de la lumière incidente 28 dans 25 le guide segmenté que constitue le réseau 34 (voir plus loin), pour une polarisation et une longueur d'onde données, par exemple une polarisation TE, de la lumière incidente 28 (la direction de polarisation étant alors parallèle aux lignes du réseau 34). 30 En l'absence de couche supraconductrice 32, la lumière incidente 28 est partiellement réfléchie 2906934 15 dans le superstrat 40, partiellement transmise dans le substrat 30, et partiellement diffractée par le guide segmenté que constitue le réseau 34. La lumière guidée est ensuite partiellement re-diffractée dans le 5 superstrat 40 et dans le substrat 30. La lumière directement transmise dans le substrat et la lumière couplée puis re-diffractée dans ce substrat interfèrent destructivement : leur déphasage (en anglais, phaseshift) est égal à r (voir 10 [Rosenblatt 97]). Pour une certaine longueur d'onde dans le vide (en anglais, vacuum) 2^,o de la lumière incidente 28 et une certaine orientation de cette lumière incidente par rapport à la direction des lignes du réseau, les 15 deux ondes ont la même amplitude et les interférences destructives sont complètes. La transmission est nulle et toute la lumière incidente est réfléchie. La structure décrite est alors une structure résonnante en réflexion (voir [Nevière 73]). 20 La figure 5 illustre schématiquement les ondes qui sont mises en jeu dans un réseau 34 qui présente une résonance en réflexion, comme dans l'exemple qui a été décrit ci-dessus. Sur la figure 5, on voit encore la lumière 25 incidente 28 (incidence normale dans l'exemple représenté) et les références 48, 50, 52, 54 et 56 représentent respectivement la lumière directement réfléchie, la lumière guidée par le guide segmenté, la lumière directement transmise, la lumière guidée par le 30 guide segmenté puis rayonnée dans le superstrat et la 2906934 16 lumière guidée par le guide segmenté puis rayonnée dans le substrat. La lettre ir symbolise le fait que la lumière directement transmise dans le substrat et la 5 lumière couplée puis re-diffractée dans le substrat interfèrent destructivement. Le principe de fonctionnement que l'on vient de décrire s'applique à une incidence normale de la lumière 28, cette lumière 28 tombant alors 10 perpendiculairement à la surface du superstrat 40. Cependant, il peut s'appliquer à tout angle d'incidence de cette lumière, allant de 0 à 90 . En outre, ce principe s'applique au cas de la figure 4 où la couche constituée des lignes 36 et 38 15 a la double fonction de réseau et de guide. On dit alors que le guide est segmenté. Mais ce principe peut également s'appliquer au cas où ce réseau et le guide constituent deux couches superposées. Dans la littérature, les guides segmentés 20 ont d'abord été étudiés avec de faibles contrastes d'indice, en tant que filtres spectraux de bande passante très étroite (inférieur à 1 nm). Il a ensuite été montré (voir [Brundrett 00]) qu'avec un contraste d'indice important, et avec 25 une incidence normale, certaines configurations géométriques de réseaux donnaient accès à des résonances en réflexion bien plus larges du point de vue de la longueur d'onde (100 à 200nm), ce qui est favorable pour des applications de détection comme 30 c'est le cas pour la présente invention. 2906934 17 L'acceptance angulaire du dispositif est également bien plus large et permet de coupler un faisceau focalisé. Enfin, la tolérance sur l'épaisseur du réseau est sensiblement augmentée. On précise que le superstrat peut être simplement constitué par de l'air (ni étant alors égal à 1). De même, les lignes 38 du réseau 34 peuvent être de l'air. Dans la présente invention, on utilise de préférence un fort contraste d'indice, qui est typiquement tel que la différence nH-nB soit supérieure à 1. La couche supraconductrice structurée et 15 très mince (épaisseur de quelques nanomètres) vient perturber la résonance en absorbant une partie de la lumière. La transmission n'est plus rigoureusement nulle à la résonance mais reste faible, et la réflexion peut diminuer de façon substantielle. Typiquement, 80% 20 de la lumière incidente peuvent être absorbés. L'absorption peut être optimisée en modifiant légèrement la géométrie du réseau 34, en ce qui concerne son facteur de remplissage et son épaisseur. 25 Les conditions à remplir pour obtenir une résonance en absorption sont les suivantes : - condition de guidage : nH>ni, nH>no, nH>nB, de préférence nH-nB > 1, - pas d'ordre diffracté autre que l'ordre 30 spéculaire : A l ; ni est par exemple égal à nH. Dans ce cas, le réseau 34, dont l'épaisseur vaut dG, assure uniquement le couplage de la lumière vers le guide constitué par la couche uniforme 60. 25 A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise les valeurs suivantes dans le cas de cette autre variante : Xo = 1549nm ; 2906934 22 ni = 1 ; no = 1,746 ; nB = 1 ; nH = 3,48 ; A = 800nm ; wr = 388nm d'où wg = 412nm ; dG = 235nm ; dwG = 312nm ; ANbN = 40Onm ; fNbN = 0,5 ; dNbN = 4nm ; nF = 5 1,45. On obtient alors les résultats suivants : Amax = 78% ; Awr FWHM =AWg FWHM> 120= ; AdwG FWHM = 54nm ; AXFWHM = 112 nm ; et AOFwHM = 29 . Cette dernière structure présente également 10 l'avantage d'être très peu sensible au facteur de remplissage du réseau 34. On peut augmenter davantage l'absorption du détecteur optique objet de l'invention en utilisant un réseau asymétrique au lieu d'un réseau symétrique. 15 Un exemple de détecteur comportant un réseau asymétrique est schématiquement représenté sur la figure 7 où le réseau 32 de la figure 6 est remplacé par un réseau asymétrique 62 dans lequel des lignes 64, ayant une largeur wrL alternent avec des lignes 66 ayant 20 une largeur wrs différente de wrL. On précise que les lignes 64 et 66 sont encore faites du matériau diélectrique ayant l'indice de réfraction nH. Pour un réseau symétrique, il existe une 25 règle de sélection qui autorise une seule résonance en l'un des deux bords de la seconde bande interdite (voir [Vincent 79]). L'asymétrie du réseau lève la dégénerescence (voir [Vincent 79]) et une simulation d'une structure à réseau asymétrique par RCWA permet 30 d'observer que les résonances se trouvent dédoublées dans le plan (f, d) pour chaque mode TE du guide. En 2906934 23 outre, deux résonances associées à des modes TE différents peuvent se croiser dans ce plan, ce qui peut augmenter l'absorption. A titre purement indicatif et nullement 5 limitatif, on utilise les valeurs suivantes dans l'exemple de la figure 7 : a,o = 1546nm ; ni = 1 ; no = 1,746 ; nH = 1 ; nH = 3,48 ; A = 1600nm ; wrL = 732nm ; wrs = 549nm ; l'espace Wg entre 10 les lignes 64 et 66 est constant : wg = 160nm ; d = 448nm ; ANbN = 400 nm ; f NbN = 0,5 ; dNbN = 4 nm ; n F = 1,45. Il convient de noter que la période A du 15 réseau 34 est égale à wr+wg dans l'exemple de la figure 4 et à wrL+wrs+2wg dans l'exemple de la figure 7. On obtient alors les résultats suivants : Amax = 92% ; AwrL FWHM = AWrS FWHM = AWg FWHM 40nm ; AdFWHM = 39nm ; A?FWHM = 56nm ; et AOFWHM = 21 . 20 En outre, Amax est égal à 88% si l'on supprime les lignes de NbN qui sont situées sous les intervalles entre les lignes de haut indice, pour : wrL = 742nm, wrs = 556nm et d = 444nm. On peut combiner les détecteurs des 25 figures 6 et 7. Cette possibilité est illustrée par l'exemple qui est schématiquement représenté sur la figure 8. Dans cet exemple, le détecteur comprend la couche uniforme de haut indice 60 et le réseau 62 à profil asymétrique, qui est alors compris entre la 30 couche 60 et le superstrat 40. 2906934 24 Cela permet de donner davantage de degrés de liberté au détecteur optique et d'obtenir des résonances d'absorption qui sont optimisées avec différentes configurations géométriques. 5 A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise les valeurs suivantes dans l'exemple de la figure 8 : a,o = 1550nm ; ni = 1 ; no = 1,746 ; nB = 1 ; nH = 3,48 ; A 10 = 1600nm ; wrL = 616nm ; wrs = 431nm ; espace entre lignes 64 et 66 constant : wg = 276nm ; dG = 440nm ; dwG = 598nm ; ANbN = 400nm ; fNbN = 0,5 ; dNbN = 4nm ; nF = 1, 45. 15 On obtient alors les résultats suivants : Amax = 94% ; AwrL FWHM = AWrS FWHM = AWg FWHM 116nm ; AdG FWHM = 43nm ; OXFWHM = 43nm ; et AeFWHM = 12 . Dans toutes les structures considérées ci-dessus, la distance de propagation de l'onde guidée est 20 très courte. La lumière reste confinée latéralement dans une zone sensiblement égale à la taille du faisceau que forme la lumière incidente. On a vérifié cela par simulation FDTD pour un faisceau gaussien ayant un diamètre égal à 10 m. 25 On peut donc utiliser un serpentin de NbN ayant une longueur L comparable à celle qui est utilisée dans l'art antérieur et qui vaut quelques centaines de micromètres, ou une longueur L/2 si l'on supprime les lignes de NbN qui sont situées sous les 30 intervalles entre les lignes de haut indice. 2906934 25 On précise en outre que les largeurs Wg des lignes 38 du réseau 34 peuvent aussi être inégales (comme peuvent l'être les largeurs wr des lignes 36). Ceci présente un intérêt : on peut avoir le cas où le 5 réseau est constitué d'un motif répétitif d'alternance de lignes 36 et 38, ce motif comprenant plusieurs lignes séparées inégalement. Par ailleurs, exepté le matériau du serpentin 32, qui est généralement un matériau 10 supraconducteur, les matériaux utilisés dans l'invention ont de préférence un coefficient d'extinction très faible, inférieur à 5x10-4, ce qui rend négligeables les pertes par absorption dans ces matériaux. 15 Il convient en outre de noter que les détecteurs conformes à l'invention, que l'on vient de décrire, sont conçus pour une polarisation donnée (TE ou TM) de la lumière incidente. Dans le cas d'une lumière incidente de polarisation inconnue, on peut 20 utiliser un séparateur de polarisations et un détecteur tel que décrit ci-dessus sur chacune des voies (en anglais ports) de sortie de ce séparateur. Ceci est schématiquement illustré par la figure 9 où l'on voit un séparateur de polarisations 68 25 dont la voie d'entrée 70 reçoit la lumière à détecter 72 et dont les deux voies de sortie 74 et 76 sont respectivement couplées à deux détecteurs conformes à l'invention 78 et 80 pour y injecter respectivement un faisceau polarisé TE et un faisceau polarisé TM, 30 résultant de la décomposition de la lumière 72 par le séparateur 68. 2906934 26 Des exemples du détecteur optique, objet de l'invention, ont été donnés dans le cas d'un pixel unique dont les dimensions typiques sont 10xl0 m et qui est éclairé par un faisceau lumineux focalisé, issu par 5 exemple d'une fibre optique de même diamètre (101.tm). Cependant, le principe de l'invention peut être étendu à la conception d'une matrice de pixels que l'on éclaire par un faisceau lumineux plus large, par exemple pour des applications d'imagerie ultra10 sensible, auquel cas le critère de largeur angulaire peut être assoupli. La détection de l'énergie lumineuse dans le supraconducteur peut se faire: soit conformément au principe des 15 bolomètres à électrons chauds à seuil, qui utilisent une polarisation en courant sous-critique, en incluant ici en outre le mécanisme des PSC ou centres de glissement de phase (en anglais, phase-slip centers), - soit par mesure de la variation rapide 20 du courant Josephson (détection d'un vortex Josephson ) d'une jonction supraconductrice (STJ) ou d'un SQUID, - soit par détection de la variation d'impédance d'une jonction tunnel supraconductrice, que 25 l'on polarise dans son gap de quasi-particules, suivant le principe des récepteurs SIS (en supprimant le courant Josephson au moyen d'un champ magnétique). On donne dans ce qui suit des exemples de procédés de fabrication de détecteurs conformes à 30 l'invention. Un tel détecteur est réalisable par des 2906934 27 moyens technologiques bien maîtrisés (dépôt de couches minces, report de substrats). Les épaisseurs des couches ne sont pas critiques (tolérance de l'ordre de 5%), hormis l'épaisseur de la couche supraconductrice, 5 que l'on sait bien maîtriser par épitaxie. Les procédés que l'on va décrire peuvent s'appliquer à la fabrication d'un détecteur comportant un pixel unique ou à la fabrication d'une matrice de tels détecteurs. 10 On donne ci-après un exemple de fabrication de la structure qui est schématiquement représentée sur la figure 4. 1. On commence par former une structure en serpentin dans une couche supraconductrice de NbN, dont 15 l'épaisseur vaut environ 4nm et dont l'indice de réfraction n vaut environ 2,5 + 4,5j où j2=-1, par épitaxie sur un substrat de saphir dont l'indice de réfraction ns vaut 1,75 à 1550nm, comme dans l'art antérieur, avec par exemple un pas de 400nm et une 20 largeur de piste de 200nm ; et l'on grave aussi des motifs de positionnement en NbN (non représentés) sur le substrat. Puis on forme des contacts électriques en or ou en platine, dont l'épaisseur vaut environ 15nm, aux deux extrémités de la structure en serpentin, par 25 une technique de pelage (en anglais, lift off). 2. Ensuite, on dépose une couche de SiO2 par-dessus le serpentin et ses contacts, par pulvérisation (en anglais, sputtering) ou par PECVD à 350 C, cette couche ayant une épaisseur d'environ 60nm 30 et un indice de réfraction nF égal à 1, 45. Puis on effectue un polissage mécano-chimique sur une 2906934 28 profondeur de 40nm environ jusqu'à atteindre les contacts. 3. On prépare ensuite un substrat SOI (silicium sur isolant), comprenant d'une part une fine 5 couche de Si ayant une épaisseur de 460nm et un indice de réfraction nH égal à 3,48, cette fine couche comportant des motifs de positionnement, et d'autre part une couche de SiO2 comprise entre le substrat SOI et la fine couche de Si. On dépose éventuellement une 10 couche très mince de SiO2 sur ce substrat SOI pour avoir une meilleure adhérence lors du collage ultérieur du substrat SOI sur le substrat de saphir, cette couche très mince ayant une épaisseur de l'ordre de 5nm à 10nm. On procède ensuite à une gravure (en anglais, 15 etching) sèche ou chimique de fenêtres profondes dans le substrat de Si (faisant partie du substrat SOI) jusqu'à la couche de SiO2, pour dégager les contacts et les motifs de positionnement. 4. On procède ensuite à un collage pleine 20 plaque du substrat de SOI sur le substrat de saphir (Al2O3), par adhérence moléculaire, à température ambiante, après avoir procédé à un alignement dans le domaine visible à travers la silice, suivant les motifs de positionnement, une précision d'alignement latéral 25 de ±0,51.1m étant largement suffisante. Eventuellement, on effectue un recuit à quelques centaines de degrés celsius au-dessus de la température ambiante. 5. On procède ensuite à un amincissement du substrat de Si par polissage mécano-chimique ou par 30 rabotage jusqu'à la couche de SiO2 puis on grave cette couche. 2906934 29 6. Ensuite, on effectue une lithographie électronique et une gravure (dans l'exemple nH vaut 1) de la couche de Si, éventuellement en alignement avec les lignes de NbN pour atteindre l'absorption maximale 5 (précision requise : ±50nm). On précise que le superstrat est ici constitué par de l'air. 7. Ensuite, on met en place la fibre optique destinée à la propagation du faisceau lumineux incident que l'on veut détecter. Pour cette mise en 10 place, on procède à un alignement actif de la fibre optique sur le détecteur. On établit ensuite les connexions optiques et électriques et l'on refroidit le détecteur à sa température d'utilisation (par exemple 4K). 15 La taille des substrats de saphir peut être choisie pour être compatible avec celle des substrats de silicium qui sont utilisés dans l'industrie micro-électronique (100 ou 200mm). Cela rend possible la production à bas coût de nombreuses puces sur un même 20 substrat. En ce qui concerne les variantes de la structure de la figure 4, dont il a été question plus haut, en particulier les structures qui sont schématiquement représentées sur les figures 6, 7 et 8, 25 le procédé de fabrication que l'on vient de décrire comporte en outre une étape de dépôt d'une couche de Si amorphe ou polycristallin (nH et nF étant égaux et prenant une valeur de 3 à 3,5) sur le serpentin, avant la formation du réseau, ce dernier étant ensuite formé 30 sur la couche de Si amorphe ou polycristallin ainsi déposée. 2906934 30 On décrit ci-après un autre mode de fabrication, relatif au cas où les lignes de silicium 36 suivent le serpentin supraconducteur. Dans cet exemple de réalisation de la 5 structure auto-alignée, on met en œuvre les étapes suivantes : 1. Dépôt d'une couche supraconductrice de NbN (épaisseur de l'ordre de 4 nm) épitaxiée sur un substrat de saphir, comme dans l'art antérieur. 10 2. Formation par pelage (en anglais, lift-off) des électrodes par exemple en or ou en aluminium, d'épaisseur 100 nm environ. 3. dépôt d'une couche de silicium amorphe (épaisseur 180nm) par pulvérisation magnétron. 15 4. Formation du serpentin (largeur de ligne 250 nm, pas 730 nm) par lithographie électronique et gravure simultanée du silicium et du NbN, par l'intermédiaire éventuel d'un masque dur en silice. 5. Dépôt d'une couche de ZnS (épaisseur 20 400 nm) par pulvérisation et polissage mécano-chimique jusqu'à environ 90 nm audessus du silicium. 6. Reprise des contacts par gravure du ZnS. La structure proposée dans la présente invention est réalisable par des moyens technologiques 25 bien maîtrisés (dépôt de couches minces, report de substrats). Les épaisseurs des couches ne sont pas critiques (tolérance de l'ordre de +5%), hormis celle du supraconducteur, que l'on sait bien maîtriser par épitaxie. 2906934 31 En outre, les procédés indiqués peuvent s'appliquer à la réalisation d'un détecteur comportant un pixel unique ou d'une matrice de détecteurs. Sur les figures, on n'a pas représenté les 5 moyens de polarisation de l'élément de détection (serpentin supraconducteur) ni les moyens de traitement des signaux fournis par cet élément. Par ailleurs, au lieu du NbN, on peut utiliser d'autres matériaux supraconducteurs pour 10 former l'élément de détection, par exemple d'autres phases nitrures (par exemple MoN ou TiN) ou des phases de cuprates (par exemple YBa2Cu3O7_X ou ReBa2Cu3O7 ) . Plus généralement, au lieu d'être fait d'un matériau supraconducteur, cet élément de détection peut 15 être fait de tout matériau apte à détecter une faible énergie lumineuse et à restituer un signal électrique correspondant à cette énergie. Ce peut être par exemple un matériau semiconducteur ou bolométrique. 20 Les documents cités dans la présente description sont les suivants : [Brundrett 00] D. L. Brundrett et al., 25 "Effects of modulation strength in guided-mode resonant subwavelength gratings at normal incidence", J. Opt. Soc. Am. A 17, 1221 (2000) 30 [FR 2812455] FR 2 812 455 A, R. Sobolewski et al. (Schlumberger and Rochester University, 2/2002) 2906934 32 [Gol'tsman 03] Gol'tsman et al., Fabrication of Nanostructured Superconducting Single 5 Photon Detectors, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 13(2), 192, June 2003 [Jackson 03] D. Jackson, J. Stern, "High 10 bandwidth, improved quantum efficiency detector development for multi -GHz class OKD throughput", Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Single Photon Detector Workshop, NIST Gaithersburg, 4/2003 15 [Kerman 06] A.J. Kerman et al., "Kineticinductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters", Appl. Phys. Letters 88, 20 111116 (2006) [Korneev 05] A. Korneev et al., "Quantum efficiency and noise equivalent power of 25 nanostructured, NbN, single photon detectors in the wavelength from visible to infrared", IEEE Trans. Appl. Superconduct. 15, 571 (2005) 30 [LeCoupanec 03] P. LeCoupanec, W.K. Lo, K. R. Wilsher, "An ultra-low dark count and jitter, 2906934 33 superconducting, single-photon detector for emission timing analysis of integrated circuits", Microelectronics Reliability, 43 (2003), 1621 [Nevière 73] P. Nevière et al., "Systematic study of the resonances of holographic thin film couplers", Opt. Commun. 9, 48 (1973) 10 [Romestain 04] R. Romestain et al., "Fabrication of superconducting niobium nitride hot electron bolometer for single photon counting", New Journal of Physics, 6, 129, (2004) [Rosenblatt 97] D. Rosenblatt et al., "Resonant grating waveguide structures", IEEE J. Quant. Elec. 33, 2038 (1997) 20 [Rosfjord 06] K. M. Rosfjord, "Nanowire single photon detector with an integrated optical cavity and antireflection coating", Opt. Expr. 14, 527 25 (2006) [Villégier 04] J-C Villégier, "Fabrication of High-Speed Single Photon Detectors and Analog-toDigital Modulators in NbN Technology for Quantum 5 15 5 10 15 2906934 34 Information Processing", invited conference, workshop WEH 28 Nov.-3 Dec. 2004, Bad Honnef, D [Vincent 79] P. Vincent et al., "Corrugated dielectric waveguides a numerical study of the second-order stop-bands", Appl. Phys. 20, 345 (1979) [Wang 04] F. Wang, "Photo-détecteurs supraconducteurs pour l'information quantique photonique", rapport de stage d'option scientifique, Ecole Polytechnique, juillet 2004 [Yang 05] J. K. W. Yang et al., "Fabrication development for nanowire GHz-counting-rate single photon detectors", IEEE Trans. Appl. Superconduct. 15, 626 (2005). 20 REVENDICATIONS 1. Détecteur optique, destiné à détecter au moins un photon, ce détecteur comprenant : - un substrat diélectrique (30), ayant un indice de réfraction no, et - un élément de détection (32) formant un serpentin, l'élément de détection étant placé sur le substrat diélectrique et prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons reçus, ce détecteur optique étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réseau diélectrique unidimensionnel (34, 62), comportant des lignes parallèles, à savoir des premières lignes (36, 64, 66) qui sont faites d'un premier matériau diélectrique ayant un indice de réfraction nH, et des deuxièmes lignes (38) qui alternent avec les premières lignes et qui sont faites d'un milieu diélectrique ayant un indice de réfraction nH, le réseau diélectrique unidimensionnel étant placé au-dessus de l'élément de détection, l'ensemble constitué par le réseau diélectrique unidimensionnel et l'élément de détection présentant une résonance d'absorption du ou des photons, sous une incidence donnée et pour une polarisation donnée de ce ou ces photons, nH étant supérieur à no et à nB. 2. Détecteur optique selon la revendication 1, dans lequel l'incidence donnée est une incidence normale. 2906934 36 3. Détecteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant en outre un superstrat diélectrique (40) ayant un indice de 5 réfraction ni, ce superstrat diélectrique étant placé au-dessus du réseau diélectrique unidimensionnel, nH étant en outre supérieur à ni. 4. Détecteur optique selon l'une quelconque 10 des revendications 1 à 3, dans lequel le pas A du réseau diélectrique unidimensionnel (34) est inférieur à ?o/no, où À.o représente la longueur d'onde dans le vide du ou des photons, et le couple (wr/A, d) est choisi pour conduire à la résonance d'absorption, où wr 15 représente la largeur des premières lignes (36) du réseau diélectrique unidimensionnel et d représente l'épaisseur de ce réseau diélectrique unidimensionnel (34). 20 5. Détecteur optique selon la revendication 4, comprenant en outre un superstrat diélectrique (40) ayant un indice de réfraction ni, ce superstrat diélectrique étant placé au-dessus du réseau diélectrique unidimensionnel, nH étant en outre 25 supérieur à ni et A étant en outre inférieur à ?o/ni. 6. Détecteur optique selon l'une quelconques des revendication 1 à 5, dans lequel la différence nH-nH est supérieure à 1. 30 2906934 37 7. Détecteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément de détection (32) est fait d'un matériau supraconducteur. 5 8. Détecteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le serpentin comporte des lignes (44) parallèles, reliées les unes aux autres, et chaque ligne (44) du serpentin est disposée en regard de l'une des lignes (36, 38) du 10 réseau diélectrique unidimensionnel. 9. Détecteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le serpentin comporte des lignes (44) parallèles, reliées les unes 15 aux autres, et chaque ligne (44) du serpentin est disposée en regard de l'une des premières lignes (36) du réseau diélectrique unidimensionnel. 10. Détecteur optique selon l'une 20 quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le serpentin comporte des lignes (44) parallèles, reliées les unes aux autres, et les lignes (44) du serpentin et les premières lignes (36) du réseau diélectrique unidimensionnel ont la même largeur et forment des 25 ensembles périodiques ayant la même période. 11. Détecteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 6 à 9, dans lequel les premières lignes (64, 66) du réseau 30 diélectrique unidimensionnel (62) ont des largeurs différentes wrL et wrs et les premières lignes (64) dont 2906934 38 la largeur vaut wrL alternent avec les premières lignes (66) dont la largeur vaut wrs. 12. Détecteur optique selon l'une 5 quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel les deuxièmes lignes (38) du réseau diélectrique unidimensionnel ont des largeurs différentes. 13. Détecteur optique selon l'une 10 quelconque des revendications 1 à 12, comprenant en outre une couche intermédiaire (60) qui est faite d'un matériau diélectrique ayant un indice de réfraction n supérieur à nB et qui est placée entre l'élément de détection (32) et le réseau diélectrique 15 unidimensionnel (34). 14. Détecteur optique, destiné à détecter un ou des photons, ce détecteur optique comprenant un séparateur de polarisation (68) comportant une voie 20 d'entrée (70), destinée à recevoir le ou les photons, et deux voies de sortie (74,76) qui sont respectivement reliées à deux détecteurs optiques (78, 80) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13. 25 15. Détecteur optique comprenant une matrice de détecteurs optiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 14. 30