Brevet FR3086655A1 — publié le 20200403

Titre de l'invention Cristal photonique à filtre optique Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des cristaux photoniques tridimensionnels à filtres optiques. Les cristaux photoniques sont des nanostructures périodiques de matériaux diélectriques, semi-conducteurs ou métallo-diélectriques modifiant la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un cristal semi-conducteur affecte le déplacement des électrons en créant des bandes d'énergie autorisées et interdites. Les cristaux photoniques sont notamment utilisés dans des applications de type télécom pour permettre le contrôle et la manipulation de la lumière. Les cristaux photoniques existent sous une multitude de formes. Il existe néanmoins trois principales catégories : unidimensionnel, bidimensionnel et tridimensionnel. Ces dimensions représentent le nombre de directions dans lesquelles il y a une périodicité de la constante 20 diélectrique. Ainsi, un cristal photonique tridimensionnel à filtre optique est une nanostructure périodique dans laquelle des blocs élémentaires de taille nanométrique sont arrangés de façon périodique à des intervalles prédéterminés. Les dimensions et périodicité de cette structure sont de 25 l'ordre de grandeur des longueurs d'onde de la lumière. Les propriétés optiques d'un cristal photonique tridimensionnel sont déterminées par sa géométrie, ses dimensions, la périodicité de la structure, les comportements des matériaux qui la constituent et l'arrangement de la structure du cristal. 30 D'un point de vue macroscopique, le cristal photonique tridimensionnel est un matériau dont l'indice de réfraction et le coefficient de permittivité varient périodiquement selon une distribution spatiale. Le cristal peut même présenter des bandes d'énergies interdites complètement ou partiellement pour les photons et des microcavités 35 résonantes. 2 Les cristaux photoniques connus à ce jour ne permettent pas toujours de contrôler de façon prédéterminée la propagation ou la réflexion ou l'absorption de la lumière incidente afin de réfléchir, de transmettre, d'absorber, de confiner, ou d'amplifier par résonnance la 5 lumière et cela selon la direction et les longueurs d'onde ou bandes voulues. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels 10 inconvénients en proposant un cristal photonique tridimensionnel qui affecte directement la propagation et le comportement de la lumière (ondes électromagnétiques) afin de permettre de la modifier et de la contrôler. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un cristal 15 photonique à filtre optique comprenant une couche extérieure inférieure, une couche de support reposant sur la couche extérieure, et un cristal photonique tridimensionnel formé par un empilement d'une pluralité de couches de cristaux photoniques, chaque couche de cristaux photoniques comprenant une pluralité de premières structures élémentaires et de secondes structures élémentaires ayant des indices de réfraction différents, un traitement et gravure de la matière différent, et constitués de matériaux différents, et qui sont disposées périodiquement en un réseau à deux dimensions, chaque première structure élémentaire renfermant un élément de gravure. Avec de telles caractéristiques, le cristal photonique selon l'invention permet de filtrer en réflexion la lumière incidente selon les directions et les longueurs d'ondes souhaitées et d'amplifier en réflexion l'intensité de la lumière selon les longueurs d'ondes voulues. L'élément de gravure de chaque première structure élémentaire peut présenter une forme de polyèdre. Dans ce cas, chaque première structure élémentaire renferme de préférence un autre élément de gravure qui présente une forme de parallélépipède comprenant un évidement de forme complémentaire à l'élément de gravure de la première structure élémentaire. Le cristal peut comprendre en outre une couche extérieure supérieure transparente à la lumière et recouvrant le cristal photonique. 3 La couche extérieure inférieure est de préférence opaque ou transparente à la lumière. Quant à la couche de support, elle est avantageusement opaque ou transparent à la lumière. Le cristal photonique peut présenter une forme parallélépipédique 5 avec des côtés de longueur inférieure ou égale à 15cm et une hauteur inférieure ou égale à 4mm. Les couches extérieures et la couche de support peuvent avoir une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm, et chaque couche de cristaux photoniques peut avoir une épaisseur inférieure ou égale à 1000 nm. 10 Les premières et secondes structures élémentaires peuvent avoir chacune une forme d'hexaèdre dont les faces ont des dimensions inférieures ou égales à 1000 nm. Brève description des dessins 15 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est un schéma montrant le principe des arrangements 20 d'un cristal photonique tridimensionnel du type de celui de l'invention ; - la figure 2 montre l'empilement des différentes couches du cristal photonique tridimensionnel selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma montrant une couche d'un photonique tridimensionnel selon l'invention ; et 25 - la figure 4 est un schéma montrant la première structure élémentaire composant la couche de la figure 3. Description détaillée de l'invention L'invention concerne un cristal photonique tridimensionnel à filtre 30 optique tel que le cristal photonique 2 représenté de façon schématique sur la figure 1. De façon connue, un tel cristal est une nanostructure périodique de matériaux diélectriques, semi-conducteurs ou métallo-diélectriques modifiant la propagation des ondes électromagnétiques. 35 Il en existe trois formes qui sont caractérisées par le nombre de directions de la périodicité de l'indice optique : périodicité dans une seule 4 direction de l'espace (cristal photonique 1D ou miroir de Bragg), périodicité dans deux directions de l'espace (cristal photonique 2D), et périodicité dans toutes les directions de l'espace (cristal photonique tridimensionnel). Le cristal photonique selon l'invention appartient à cette 5 dernière catégorie. Comme représenté sur la figure 2, le cristal photonique 2 selon l'invention comprend une couche extérieure inférieure 4, une couche de support 6 reposant sur la couche extérieure, et un cristal photonique tridimensionnel proprement dit 8 qui est formé par un empilement de N (N 10 supérieur ou égal à 2) couches de cristaux photoniques Cl, C2, CN. La couche extérieure inférieure 4 est de préférence opaque ou transparente à la lumière. Le matériau constitutif de cette couche extérieure inférieure pourra être de type aluminium, or, argent, chrome, titane, etc., ou tout autre matériau compatible avec la couche de support 15 6 (type CaF2). De même, la couche de support 6 est avantageusement en matériau opaque ou transparent à la lumière. Le matériau constitutif de cette couche de support pourra être de type Silicium, Polycarbonate, Silicate, Verre et leurs dérivés. 20 De préférence, le cristal photonique 2 comprend en outre une couche extérieure supérieure 10 qui est transparente à la lumière et qui recouvre le cristal photonique. Le rôle d'une telle couche est à la fois de protéger mécaniquement et chimiquement le cristal, ainsi que de guider la lumière dans et depuis le cristal. Elle pourra être réalisée en matériau de 25 type de type Silicium, Polycarbonate, Silicate, Verre et leurs dérivés. De préférence également, le cristal photonique proprement dit 8 présente une forme parallélépipédique avec des côtés de longueur inférieure ou égale à 15cm et une hauteur inférieure ou égale à 4mm. De préférence encore, les couches extérieures (inférieure 4 et 30 supérieure 10) et la couche de support 6 ont une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm, et chaque couche de cristaux photoniques Cl, C2, CN a une épaisseur inférieure ou égale à 1000 nm. Comme représenté de façon plus précise sur la figure 3, chaque couche de cristaux photoniques Ci (i étant compris entre 1 et N) comprend 35 une pluralité de premières structures élémentaires Ei,j et de secondes 5 structures élémentaires Fi,j qui sont disposées périodiquement en un réseau à deux dimensions. Plus précisément, les premières structures élémentaires Ei,j et les secondes structures élémentaires Fi,j présentent des indices de réfraction 5 optique différents, un traitement et une gravure de la matière qui sont différentes, et sont constitués de matériaux différents. Par exemple, les indices de réfraction des premières structures élémentaires Ei,j pourra être compris entre 1 et 4, tandis que les indices de réfraction des secondes structures élémentaires Fi,j devraient être 10 compris inférieurs à ceux des premières structures élémentaires. De même, les premières structures élémentaires Ei,j et les secondes structures élémentaires Fi,j pourront être réalisés en matériau de type de type Silicium, Nitrure, Aluminium, Tantale, Or, Argent, Platine, Cuivre et leurs dérivés. 15 La figure 4 représente un exemple de réalisation d'une première structure élémentaire Ei,j selon l'invention. Chaque première structure élémentaire Ei,j renferme un élément de gravure 12, c'est-à-dire que la matière constitutive de première structure élémentaire Ei,j présente un traitement de gravure optique ayant une 20 forme et une matière prédéterminée. De préférence, l'élément de gravure 12 de chaque première structure élémentaire Ei,j présente ainsi une forme de polyèdre. Par exemple, il pourra s'agir d'un hexaèdre à base rectangulaire comme représenté sur la figure 4. 25 Par ailleurs, chaque première structure élémentaire renferme un autre élément de gravure 14 (ou élément de gravure complémentaire) qui présente une forme de parallélépipède comprenant un évidement de forme complémentaire à l'élément de gravure 12 de la première structure élémentaire. Cet autre élément de gravure 14 présente un traitement et 30 une gravure de la matière qui sont différentes de ceux de l'élément de gravure 12. Les éléments de gravure 12 et 14 pourront être réalisés par gravure de matériaux de type de type Silicium, Nitrure, Aluminium, Tantale, Or, Argent, Platine, REVENDICATIONS1. Cristal photonique à filtre optique (2) comprenant : une couche extérieure inférieure (4) ; une couche de support (6) reposant sur la couche extérieure ; et un cristal photonique tridimensionnel (8) formé par un empilement d'une pluralité de couches de cristaux photoniques (Cl, C2, CN), chaque couche de cristaux photoniques (Ci) comprenant une pluralité de premières structures élémentaires (Ei,j) et de secondes structures élémentaires (Fi,j) ayant des indices de réfraction différents, un traitement et gravure de la matière différent, et constitués de matériaux différents, et qui sont disposées périodiquement en un réseau à deux dimensions, chaque première structure élémentaire renfermant un élément de gravure (12). 2. Cristal selon la revendication 1, dans lequel l'élément de gravure (12) de chaque première structure élémentaire (Ei,j) présente une forme de polyèdre. 3. Cristal selon la revendication 2, dans lequel chaque première structure élémentaire (Ei,j) renferme un autre élément de gravure (14) qui présente une forme de parallélépipède comprenant un évidement de forme complémentaire à l'élément de gravure (12) de la première structure élémentaire. 4. Cristal selon l'une des revendications 1 et 3, comprenant en outre une couche extérieure supérieure (10) transparente à la lumière et recouvrant le cristal photonique. 5. Cristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche extérieure inférieure (4) est opaque ou transparente à la lumière. 6. Cristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la couche de support (6) est opaque ou transparent à la lumière. 7 7. Cristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le cristal photonique présente une forme parallélépipédique avec des côtés de longueur inférieure ou égale à 15cm et une hauteur inférieure ou égale à 4mm. 8. Cristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les couches extérieures et la couche de support ont une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm, et chaque couche de cristaux photoniques a une épaisseur inférieure ou égale à 1000 nm. 9. Cristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les premières et secondes structures élémentaires ont chacune une forme d'hexaèdre dont les faces ont des dimensions inférieures ou égales à 1000 nm. 5 10 15