Les lois de la physique appliquées à l'optique et à la photonique permettent de modéliser la propagation de la lumière. L'optique traditionnelle, réflective et réfractive, aussi appelée optique géométrique, décrit la lumière comme un rayon pouvant être réfléchi, réfracté, diffusé ou absorbé par des matériaux optiques (comme le verre poli, le plastique dépoli coloré, la peau humaine, la peinture blanche mate, etc.).

À l'inverse, l'optique diffractive considère la lumière comme une onde électromagnétique. La diffraction se produit lorsque les ondes lumineuses rencontrent des microstructures (éléments micro-optiques) ou des ouvertures dont la taille est comparable à leur longueur d'onde. Lorsqu'elle traverse ces structures, qui peuvent ne mesurer que quelques centaines de nanomètres, la lumière peut être focalisée, façonnée, déviée ou divisée.

Les composants qui manipulent les propriétés de la lumière par diffraction sont appelés éléments optiques diffractifs (ou DOE, pour « Diffractive Optical Elements »). Certains, comme les réseaux de diffraction, sont déjà utilisés dans les systèmes optiques actuels, tandis que d'autres, comme les métasurfaces et les métalentilles, s'inscrivent dans une nouvelle génération de lentilles optiques.

Les DOE permettent un contrôle extrêmement précis de la phase, de la polarisation et de l'intensité des ondes lumineuses. Ils sont donc très recherchés. Ils sont également beaucoup plus fins et légers que les éléments optiques réfractifs traditionnels, ce qui permet de réduire la taille, le poids et le coût des systèmes optiques.

Il existe de nombreux types courants de DOE utilisés pour manipuler les sources lumineuses. Parmi eux, on trouve les réseaux de diffraction, les plaques de zones de Fresnel, les séparateurs de faisceau diffractifs, les façonneurs de faisceau diffractifs et les diffuseurs diffractifs.

Réseaux de diffraction

Les réseaux de diffraction sont des structures optiques constituées de motifs périodiques extrêmement petits, dont l'espacement est de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière (c'est-à-dire dans la gamme des micromètres ou des nanomètres). Ces motifs permettent de rediriger la lumière incidente dans plusieurs directions spatiales appelées ordres de diffraction. Les réseaux de diffraction sont utilisés dans de nombreuses applications, allant de la spectroscopie aux lunettes de réalité augmentée (AR). 

Il existe deux principaux types de réseaux de diffraction :

• Les réseaux de surface
• Les réseaux holographiques volumiques

Les réseaux de surface comportent de petites rainures périodiques, fabriquées mécaniquement par tournage diamant, impression 3D ou lithographie. Les rainures varient selon le type de réseau. Les concepteurs peuvent ainsi adapter la structure à l'application visée et à la plage de longueurs d'onde souhaitée. Ce sont ces rainures qui manipulent la lumière. La modification de leur périodicité et leur géométrie agit sur l'efficacité de diffraction et l'ordre de diffraction du réseau, ce qui permet un contrôle plus précis du comportement de la lumière.

Les réseaux holographiques volumiques sont fabriqués en enregistrant un motif holographique dans un matériau photosensible. Pour cela, un matériau photosensible (tel qu'un polymère ou un verre) est exposé à un motif d'interférence généré par deux faisceaux laser cohérents. Cette exposition crée une modulation tridimensionnelle de l'indice de réfraction à l'intérieur du matériau.

Lorsque la lumière frappe le réseau selon l'un des angles d'enregistrement initiaux, elle reproduit le deuxième faisceau utilisé lors du processus. La bande passante de la réponse dépend du matériau utilisé, de l'indice de modulation et de l'épaisseur du réseau.

Plaques de zones de Fresnel

Les plaques de zones de Fresnel sont composées de réseaux circulaires dont la densité de lignes augmente radialement (c'est-à-dire que les anneaux se rapprochent de plus en plus vers le bord extérieur). Ces réseaux concentriques alternent entre transparence et opacité. La lumière frappant une zone transparente est transmise, tandis que celle atteignant une zone opaque est diffractée. L'espacement entre les anneaux détermine la façon dont les ondes lumineuses diffractées interfèrent entre elles, focalisant ainsi la lumière pour former une image. Les plaques de zones de Fresnel peuvent être utilisées sur différentes longueurs d'onde, ce qui les rend utiles dans de nombreuses applications telles que l'imagerie par rayons X, la spectroscopie, la photographie et les télescopes.

Séparateurs de faisceau diffractifs

Les séparateurs de faisceau diffractifs sont des réseaux conçus pour diviser un faisceau lumineux incident en plusieurs faisceaux de sortie, appelés ordres de diffraction. Chaque faisceau de sortie conserve les mêmes caractéristiques optiques que le faisceau d'entrée. Ces dispositifs sont généralement utilisés avec une lumière monochromatique, comme les faisceaux laser. Ils sont conçus pour des longueurs d'onde et des angles de diffraction spécifiques.  

Façonneurs de faisceau diffractifs

Les façonneurs de faisceau diffractifs modifient le profil de phase et l'intensité des faisceaux laser ayant un profil d'intensité gaussien, c'est-à-dire un faisceau dont la luminosité est maximale au centre et décroît progressivement vers les bords selon une courbe régulière. Ces dispositifs manipulent les caractéristiques du faisceau incident pour modifier la forme du faisceau en sortie. Le profil de sortie est généralement circulaire ou rectangulaire, mais d'autres géométries de faisceau peuvent également être obtenues. Les façonneurs de faisceau diffractifs sont utilisés en lithographie, en éclairage holographique, dans les capteurs optiques, les applications biomédicales et le traitement des matériaux au laser.

Diffuseurs diffractifs

Les diffuseurs diffractifs transforment également un faisceau laser incident en plusieurs faisceaux de sortie. Mais ils ont une particularité : ces faisceaux se superposent et interfèrent entre eux pour produire une distribution homogène de la lumière. Ils sont généralement constitués de motifs précis de microstructures qui déterminent la manière dont la lumière est diffractée et répartie. Les ingénieurs peuvent concevoir ces structures micrométriques pour obtenir des schémas d'éclairement spécifiques, tels que des motifs circulaires, carrés ou en croix.

Les diffuseurs diffractifs sont utilisés pour homogénéiser une source lumineuse et élargir un faisceau étroit sur un éventail plus large d'angles, sans les limitations des composants optiques réfractifs traditionnels. Parmi leurs applications, on trouve les systèmes de vision industrielle, où ils assurent un éclairage uniforme pour une meilleure qualité d'image ; les écrans, pour améliorer les angles de vision ; le flash lidar, afin de diffuser uniformément le faisceau laser sur une large zone ; et le lidar à balayage, où ils permettent de contrôler l'angle de diffusion du faisceau laser. 

En parallèle des DOE traditionnels, une nouvelle génération de composants optiques diffractifs avancés émerge et représente l'avenir des technologies optiques. Ces dispositifs sont fabriqués à l'aide de techniques de pointe issues de la fabrication de semi-conducteurs, telles que la nano-impression et la lithographie. Parmi les DOE avancés les plus importants aujourd'hui, citons les métalentilles et les coupleurs à réseau pour les circuits intégrés photoniques (PIC).

Métalentilles

Les métalentilles sont constituées de millions de méta-atomes, des structures nanométriques de formes et de tailles variables, disposés à la surface d'un substrat pour former une lentille. La taille et la position de ces méta-atomes modifient la manière dont les ondes lumineuses sont redirigées. Les métalentilles représentent une alternative extrêmement fine aux lentilles traditionnelles encombrantes : elles sont aussi fines qu'un cheveu et bien plus compactes. Leur légèreté en fait une solution idéale pour les appareils portables. De plus, elles peuvent être fabriquées à l'aide des procédés et des équipements déjà utilisés pour la production en série de puces semi-conductrices.

Les métalentilles peuvent également focaliser ou filtrer certaines couleurs ou longueurs d'onde, ce qui permet de réduire considérablement l'aberration chromatique. Ces bénéfices font des métalentilles une alternative prometteuse aux lentilles réfractives traditionnelles dans de nombreuses applications, notamment les systèmes de projection pour lunettes de réalité augmentée, les lentilles bidirectionnelles fines et compactes pour les endoscopes, ou encore les caméras d'imagerie intégrées aux téléphones mobiles et aux drones.

Coupleurs à réseau pour circuits photoniques intégrés

Un autre domaine clé est celui des optiques co-intégrées (« co-packaged optics »), qui désignent un système intégré combinant des composants optiques et du silicium sur un même substrat encapsulé. Les optiques co-intégrées visent à répondre aux enjeux de consommation énergétique et de bande passante des systèmes électroniques actuels. Elles constituent une étape essentielle dans le développement des circuits photoniques intégrés. Parmi les principales applications figurent la réalité augmentée, la réalité virtuelle, les capteurs d'image et les communications optiques.

Les optiques co-intégrées permettent de coupler deux guides d'ondes de tailles différentes (un guide d'entrée et un guide de sortie), en transférant la lumière de l'un à l'autre avec une faible atténuation, c'est-à-dire une perte de signal minimale. Ces jonctions devraient devenir des éléments fondamentaux des circuits photoniques intégrés (PIC), en remplaçant les composants électroniques par des composants photoniques. Les PIC suscitent un intérêt croissant, car la lumière se déplace plus rapidement que les électrons, ce qui laisse entrevoir des circuits pouvant fonctionner à des vitesses bien plus élevées avec des débits de données supérieurs.

La complexité et l'échelle nanométrique des éléments optiques diffractifs en font des candidats idéaux pour la simulation électromagnétique 3D. Par exemple, dans le cas des métalentilles, la simulation permet aux chercheurs d'étudier la position et la taille des méta-atomes afin de modéliser la diffraction de la lumière selon différentes configurations. Les simulations aident également les concepteurs à analyser la distribution des champs, les diagrammes en champ lointain et les déformations du front d'onde induites par un composant optique diffractif.

La suite Ansys Lumerical, le logiciel Ansys Speos et le logiciel Ansys Zemax OpticStudio permettent de simuler des composants optiques diffractifs. Les composants individuels peuvent être conçus à l'aide des solveurs FDTD et RCWA de la suite Lumerical, tandis que les performances d'un DOE peuvent être analysées avec OpticStudio. Ces outils logiciels permettent de simuler une seule lentille ou plusieurs lentilles simultanément.

Conception et simulation d'une métalentille

Les logiciels de simulation permettent de visualiser la façon dont la lumière traverse une métalentille en fonction de différentes dispositions et tailles de méta-atomes, puis d'exporter les données de conception pour la fabrication. Ces simulations servent notamment à développer des lentilles destinées à la réalité augmentée et aux projecteurs compacts. Les configurations multi-GPU des logiciels Ansys permettent d'accélérer les performances de simulation en combinant la mémoire et la puissance de calcul de plusieurs cartes graphiques, ce qui rend possible la modélisation de systèmes de métalentilles complexes contenant plusieurs millions de méta-atomes.

Simulation d'optiques co-intégrées

Les simulations d'optiques co-intégrées réalisées avec la suite Lumerical permettent de modéliser la propagation de la lumière à travers un guide d'ondes et de démontrer l'importance de sa géométrie dans la division et l'orientation des ondes lumineuses. Ces modèles numériques illustrent comment les optiques co-intégrées peuvent contribuer au développement des circuits photoniques intégrés (PIC). Les simulations optiques aident également les concepteurs à évaluer l'efficacité des réseaux de diffraction pour le couplage de la lumière dans les guides d'ondes. En outre, elles montrent comment la propagation de l'onde peut être ajustée pour s'adapter à la forme et à la taille des guides suivants. Enfin, elles permettent de modéliser la combinaison de fronts d'onde afin de générer un motif lumineux spécifique.

Conception d'un coupleur à réseau en entrée et sortie pour optiques co-intégrées

Les métalentilles et les optiques co-intégrées soutiennent le développement de nombreuses avancées technologiques, notamment :

• Des téléphones portables et appareils photo plus fins et plus compacts
• Des métasurfaces capables de remplacer les réseaux de microlentilles et les filtres de Bayer des capteurs d'image CMOS
• Des lunettes de réalité augmentée légères et compactes, offrant une image plus lumineuse et plus nette
• Des composants photoniques pouvant remplacer les composants électroniques traditionnels pour des communications plus rapides
• Des technologies optiques médicales avancées, telles que la microscopie confocale par balayage laser, la tomographie par cohérence optique (OCT), les endoscopes et les lentilles intraoculaires

Les outils logiciels Ansys permettent aux entreprises d'améliorer leurs conceptions bien en amont de la phase de fabrication. Des solutions comme la suite Lumerical, conçue pour la conception de composants optiques diffractifs, sont déjà largement adoptées dans le monde académique. Elles sont également utilisées par de nombreuses entreprises internationales pour optimiser leurs produits.

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