Conception, réalisation et caractérisation de filtres optiques nanostructurés à bande étroite pour applications spatiales à 0.85 µm
Résumé
New concepts in nanophonotonics and progress in microelectronic fabrication processes should lead to a new generation of optical components. The goal of this thesis is to propose such innovative optical filters for space application for 0.85 µm wavelengths in order to overstep the usual filters limitations, particularly in term of bandwidth, polarization sensibility, oblique incidence and tunability. This PhD project is about conception, fabrication and characterization of resonant grating filters, composed by a dielectric multilayer and a bi-dimensional nanostructuration on the top. From the electromagnetic modeling of the devices, a conception methodology is developed leading to the parameters of the photonic lattice. A fabrication process including steps of thin film deposition, e-beam lithography and dry etching is developed. Thickness of the deposited layers and lattice parameters are controlled within nanometer precision. The optical characterization of the fabricated devices demonstrates state of art performances for normal incidence (bandwidth of 0.4 nm, reflexion higher than 55%...) and for oblique incidence at ~60° (bandwidth <0.8 nm, polarization independence, tunability...). These results fit well with the performances predicted by the theoretical studies. The generic aspect of the realization process and the achieved performances show that these components are good candidates to replace conventional multi-layer filters. Moreover, their fabrication processes compatibility with those from microelectronics opens the way to further integration of these filters on chips with other advanced functions, leading to new complex optical devices.
Les récents concepts de la nanophotonique et les progrès considérables des procédés de réalisation de la microélectronique devraient conduire à l'émergence de nouvelles générations de composants optiques. L'objectif de cette thèse est ainsi de proposer des filtres optiques innovants, répondant aux besoins des communications spatiales à 0.85 µm, et susceptibles de lever les limitations des filtres usuels, en particulier en termes de largeur spectrale, sensibilité à la polarisation, fonctionnement en incidence oblique et ajustement spectral. Le travail de thèse porte sur la conception, fabrication et caractérisation de filtres à réseaux résonants associant un empilement multicouche et une nanostructuration de surface bidimensionnelle. A partir de la modélisation électromagnétique de la structure, une méthodologie de conception est développée et permet d'établir les paramètres caractéristiques de la maille photonique. Un procédé de fabrication comportant les étapes de dépôt de couches minces, lithographie électronique et gravure sèche est mis au point. Les composants fabriqués présentent des caractéristiques qui sont à l'état de l'art en incidence normale (largueur spectrale de 0.4 nm, réflexion à la résonance de 55%...) et en incidence oblique à ~60° (largeur spectrale < 0.8 nm, indépendance à la polarisation, accordabilité). L'aspect générique du procédé de réalisation et des performances obtenues permettent de considérer que ces filtres seront d'excellents candidats pour remplacer les filtres multi-couches conventionnels. De plus, la compatibilité de leur procédé de fabrication avec ceux de la microélectronique ouvre la voie à des fonctions optiques intégrées avancées.
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