Brevet FR3073954A1 — publié le 20190524

SYSTÈME DE TRANSDUCTION D'UN DÉPLACEMENT EN UN DÉPHASAGE OPTIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des systèmes opto-mécaniques, qui exploitent des effets de couplage réciproque entre l'optique et la mécanique pour traduire un déplacement mécanique au sein du système en un changement de la phase et/ou de l'intensité d'un signal optique circulant dans le système. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît dans l'art antérieur un capteur opto-mécanique, permettant de détecter le mouvement d'une nano-poutre grâce à un couplage optique entre cette nano-poutre et un micro-résonateur en anneau. Un tel capteur est décrit par exemple dans l'article « Optical racetrack resonator transduction of nanomechanical cantilevers », par V.T.K. Sauer & al., Nanotechnology, vol. 25 (2014). Le micro-résonateur en anneau ne comporte pas de gaine. C'est le milieu environnant qui fait office de gaine. Ce micro-résonateur est couplé à un guide d'onde d'injection et extraction, par couplage évanescent. Le couplage évanescent réalise un transfert d'énergie entre un mode guidé du guide d'onde d'injection et extraction et un mode guidé du micro-résonateur. Ce transfert d'énergie est maximal aux longueurs d'onde de résonance du micro-résonateur (longueurs d'onde pour lesquelles le déphasage apporté par un tour dans l'anneau est un multiple de 2n). En fonctionnement, un faisceau lumineux est envoyé en entrée du guide d'onde d'injection et extraction. Une partie du faisceau lumineux s'échappe vers le micro- résonateur. Aux longueurs d'onde de résonance, elle effectue un ou plusieurs tours avant de revenir vers le guide d'onde d'injection et extraction. 2 La lumière transitant dans le micro-résonateur y subit des pertes optiques, dues notamment à l'absorption par le milieu environnant et à la rugosité du micro-résonateur. Le faisceau lumineux en sortie du guide d'onde d'injection et extraction présente donc une série de minima locaux, aux longueurs d'onde de résonance du micro-résonateur. 5 La nano-poutre est disposée dans le champ proche du micro-résonateur. Les mouvements de la nano-poutre perturbent donc localement l'indice optique de la gaine du micro-résonateur, ce qui modifie l'indice effectif du micro-résonateur, et donc la phase de l'onde circulant dans le micro-résonateur. Les valeurs de longueurs d'onde de résonance du micro-résonateur sont donc modifiées. En observant ces valeurs de longueurs d'onde 10 de résonance, on observe donc indirectement la position de la nano-poutre. Un inconvénient de ce dispositif est qu'il existe des fuites optiques par couplage évanescent entre la nano-poutre et le micro-résonateur, qui dépendent de la position de la nano-poutre relativement au micro-résonateur. En d'autres termes, la position de la nano-poutre ne modifie pas uniquement la phase de l'onde circulant dans le micro- 15 résonateur, mais également les pertes introduites par le micro-résonateur. Ces pertes varient exponentiellement en fonction de la position de la nano-poutre, et présentent des effets non linéaires qui limitent fortement la dynamique du système, dès que les déplacements de la nano-poutre excèdent la limite des très petits déplacements (moins de 20 nm). 20 Un objectif de la présente invention est de proposer un système opto-mécanique de transduction d'un déplacement en un déphasage optique, permettant de limiter des effets additionnels sur l'intensité. EXPOSÉ DE L'INVENTION 25 Cet objectif est atteint avec un système opto-mécanique de transduction d'un déplacement en un déphasage optique, comportant : - au moins une structure de guidage, adaptée à guider un faisceau lumineux centré sur une longueur d'onde prédéterminée, nommée longueur d'onde guidée ; et 3 - au moins deux tronçons de guide d'onde, agencés chacun pour amener un faisceau lumineux jusqu'à l'au moins une structure de guidage, ou pour éloigner un faisceau lumineux émergeant de l'au moins une structure de guidage. Selon l'invention : 5 - l'au moins une structure de guidage comprend une pluralité de poutres parallèles entre elles, réparties les unes à la suite des autres selon un axe d'allongement de la structure de guidage, et agencées en deux peignes partiellement imbriqués l'un dans l'autre ; et - dans l'au moins une structure de guidage, au moins une poutre est mobile en 10 translation relativement aux autres poutres de la même structure de guidage, selon un axe orthogonal à l'axe d'allongement de la structure de guidage. La structure de guidage est adaptée à guider le faisceau lumineux centré sur la longueur d'onde guidée. Ladite structure de guidage est donc équivalente à un guide 15 d'onde, nommé guide d'onde équivalent. Les poutres de la structure de guidage sont agencées en deux peignes. En d'autres termes, lesdites poutres sont réparties en deux séries de poutres, chaque série de poutres formant les doigts d'un peigne. Ces deux peignes sont partiellement imbriqués l'un dans l'autre. En d'autres termes, 20 chaque poutre de l'une première série (sauf les deux poutres d'extrémité) présente une région d'extrémité intercalée directement ou indirectement entre deux poutres de l'autre seconde série. L'extrémité opposée de ladite poutre est encadrée seulement par des poutres de la même première série. Un tel agencement peut être nommé agencement en peignes interdigités. 25 Les poutres de l'une et l'autre série peuvent être réparties en alternance, de sorte que chaque poutre de l'une première série (sauf les deux poutres d'extrémité) présente une région d'extrémité intercalée directement entre deux poutres de l'autre seconde série. En variante, des ensembles de plusieurs poutres voisines de l'une première série peuvent être intercalés entre deux poutres de l'autre seconde série. Chaque poutre de 4 l'une première série (sauf les deux poutres d'extrémité) présente alors une région d'extrémité intercalée indirectement entre deux poutres de l'autre seconde série. Ce cas correspond notamment, mais pas seulement, au cas dans lequel la première série comporte plus de poutre que la seconde série. 5 Une région d'imbrication des peignes désigne un volume convexe délimité par l'ensemble des régions d'extrémité intercalées directement ou indirectement entre deux poutres de l'autre série. Ladite région d'imbrication des peignes correspond au coeur du guide d'onde équivalent mentionné ci-dessus. Lorsque les poutres mobiles se déplacent en translation selon un axe orthogonal à 10 l'axe d'allongement de la structure de guidage, la largeur et/ou la hauteur de la région d'imbrication des peignes est modifiée, ce qui correspond à une modification de la largeur et/ou la hauteur du coeur du guide d'onde équivalent. Cela se traduit par une modification de l'indice effectif du guide d'onde équivalent, et donc de la phase de l'onde guidée dans ce guide d'onde équivalent. 15 La structure de guidage forme ainsi un transducteur d'un déplacement, ici celui d'au moins une poutre mobile, en un déphasage optique, ici celui de l'onde guidée dans la structure de guidage. En outre, le système de transduction n'est pas basé sur un phénomène de couplage évanescent, de sorte qu'il présente, par nature, un effet uniquement sur la phase optique. 20 L'invention permet donc de limiter des effets additionnels sur l'intensité, associés à la transduction du déplacement des poutres mobiles en un déphasage optique. De préférence, les poutres de la structure de guidage forment ensemble, dans une région d'imbrication entre les poutres, une structure périodique ayant un motif élémentaire de dimension A selon l'axe d'allongement de la structure de guidage, avec : 25 2n-A REVENDICATIONS1. Système opto-mécanique (100) de transduction d'un déplacement en un déphasage optique, comportant : - au moins une structure de guidage (10; 10A; 10B), adaptée à guider un faisceau lumineux (F) centré sur une longueur d'onde prédéterminée, nommée longueur d'onde guidée ; et - au moins deux tronçons de guide d'onde (21), agencés chacun pour amener un faisceau lumineux jusqu'à l'au moins une structure de guidage, ou pour éloigner un faisceau lumineux émergeant de l'au moins une structure de guidage ; caractérisé en ce que : - l'au moins une structure de guidage (10 ; 10A ; 10B) comprend une pluralité de poutres (11) parallèles entre elles, réparties les unes à la suite des autres selon un axe d'allongement de la structure de guidage, et agencées en deux peignes (11A, 11B) partiellement imbriqués l'un dans l'autre ; et - dans l'au moins une structure de guidage (10 ; 10A, 10B), au moins une poutre (11) est mobile en translation relativement aux autres poutres de la même structure de guidage, selon un axe orthogonal à l'axe d'allongement de la structure de guidage. 2. Système opto-mécanique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les poutres (11) de la structure de guidage (10 ; 10A ; 10B) forment ensemble, dans une région d'imbrication (12) entre les poutres, une structure périodique ayant un motif élémentaire de dimension A selon l'axe d'allongement de la structure de guidage, avec : 2n-A 3. Système opto-mécanique (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'au moins une poutre est mobile en translation selon son axe longitudinal. 4. Système opto-mécanique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 5 caractérisé en ce que les poutres des deux peignes (11A, 11B) sont réparties en alternance le long de l'axe d'allongement de la structure de guidage. 5. Système opto-mécanique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur optique, au sein duquel est située la 10 structure de guidage (10). 6. Système opto-mécanique (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le résonateur optique est une cavité linéaire. 15 7. Système opto-mécanique (100) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les miroirs (101A, 101B) de la cavité linéaire sont constitués chacun d'un réseau de Bragg, chaque réseau de Bragg étant formé par deux jeux de poutres secondaires (102), agencés en deux peignes d'extrémité partiellement imbriqués. 20 8. Système opto-mécanique (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le résonateur optique comporte un guide d'onde recourbé (91), agencé avec la structure de guidage (10) pour guider la lumière selon un chemin optique en boucle fermée. 9. Système opto-mécanique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 25 caractérisé en ce qu'il comporte un interféromètre de Mach-Zehnder, au sein duquel est située la structure de guidage (10 ; 10A ; 10B). 10. Système opto-mécanique (100) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la structure de guidage (10) est située dans un premier bras (111) de l'interféromètre et en ce qu'une structure de référence (113) est située dans un second bras (112) de 27 l'interféromètre, la structure de référence (113) étant identique à la structure de guidage (10), excepté que l'ensemble des poutres qui la composent sont fixes. 11. Système opto-mécanique (100) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il 5 comporte deux structures de guidage (10A, 10B) situées chacune dans l'un des bras de l'interféromètre, et en ce que des poutres mobiles de chacune des deux structures de guidage sont solidaires les unes des autres. 12. Système opto-mécanique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, 10 caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un adaptateur de mode (60), chaque adaptateur de mode étant situé à une extrémité de l'une structure de guidage (10 ; 10A ; 10B) et comprenant : - une région centrale (61), de largeur décroissante en s'approchant de la structure de guidage ; et 15 - deux régions latérales (62A, 62B), de largeur croissante en s'approchant de la structure de guidage, situées de part et d'autre de la région centrale (61) et comportant chacune une pluralité de poutres d'adaptation (63), parallèles aux poutres de la structure de guidage. 20 13. Système opto-mécanique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'au moins une poutre mobile de la structure de guidage comprend une poutre qui est solidaire d'un support suspendu (41) s'étendant selon l'axe d'allongement de la structure de guidage. 25 14. Système opto-mécanique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'au moins une poutre mobile de la structure de guidage comprend une poutre qui est solidaire d'une masse (51) suspendue au-dessus d'un substrat.