Transformer un miroir en absorbant optique

Résultat scientifique Photonique

Une équipe de l'Institut des nanotechnologies de Lyon a montré expérimentalement qu'un dispositif optique réfléchissant, incluant une couche mince de matériau à changement de phase, pouvait se transformer de manière réversible en un dispositif très absorbant. Une centaine de niveaux de réflectivité intermédiaires ont même été réalisés avec un seul dispositif, ouvrant la voie à des composants optiques aux propriétés modulables.

Dans un système photonique, les propriétés optiques de chaque composant dépendent des matériaux utilisés. Le matériau sera fortement réfléchissant pour un miroir, ou très absorbant s'il s'agit d'un photodétecteur ou de cellules solaires. Mais les propriétés optiques de ces matériaux sont figées et ne permettent pas de créer des composants adaptables ou modulables. C'est pour relever ce défi qu'une équipe de l'Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/Centrale Lyon/INSA Lyon/CPE Lyon), en collaboration avec le Centre de recherche sur l’hétéroépitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS), l’Institut Fresnel (CNRS/AMU/Centrale Marseille) et STMicroelectronics, s'est intéressée aux matériaux à changement de phase, dont les indices de réfraction et les coefficients d’absorption peuvent être modifiés de manière rapide et réversible.

Ainsi, GeSbTe est un matériau dont l'indice de réfraction varie fortement selon que sa structure est amorphe ou cristalline. Les chercheurs ont réalisé un empilement simple de couches minces comprenant une couche nanométrique de GeSbTe. Ils ont alors montré qu'en passant d'un état à l'autre, le matériau au départ très réfléchissant voyait sa réflectivité réduite d'un facteur 10.000 ! Mieux : en réalisant des cristallisations partielles de manière contrôlée par voie thermique, ils ont obtenu 100 niveaux de réflectivité distincts avec le même échantillon. La longueur d'onde opérationnelle du dispositif, dans le proche infrarouge, est réglée en jouant sur l'épaisseur des couches. Ces travaux sont publiés dans la revue Advanced Optical Materials.

Ces résultats permettent d'envisager des composants aux propriétés de réflexion/absorption modulables, tels que des modulateurs, obturateurs, filtres... La fabrication, relativement simple (pas de lithographie), est transposable à des dispositifs de grande taille, afin de réaliser des optiques dynamiquement modulables pour de grands instruments comme les télescopes.

Les chercheurs explorent d'autres matériaux à changement de phase et travaillent également sur l'adressage optique et électrique de dispositifs optiques reconfigurables.

Faisceau lumineux dans le proche infrarouge réfléchi par un empilement comprenant une couche mince de GeSbTe (GST), un espaceur diélectrique et une couche d'or. Le changement de phase de GST induit une très grande modulation des propriétés optiques, allant de la forte réflexion à l'absorption parfaite.  © Wiley
Faisceau lumineux dans le proche infrarouge réfléchi par un empilement comprenant une couche mince de GeSbTe (GST), un espaceur diélectrique et une couche d'or. Le changement de phase de GST induit une très grande modulation des propriétés optiques, allant de la forte réflexion à l'absorption parfaite.
© Wiley

Références
Reconfigurable Flat Optics with Programmable Reflection Amplitude Using Lithography-Free Phase-Change Materials Ultra-Thin Films.
S. Cueff, A. Taute, A. Bourgade, J. Lumeau, S. Monfray, Q. Song, P. Genevet, B. Devif, X. Letartre and L. Berguiga
Advanced Optical Materials 2001291 (2020)
https://doi.org/10.1002/adom.202001291
Lire l’article sur les bases d’archives ouvertes HAL et arXiv.

Contact

Sébastien Cueff
Chargé de recherche au CNRS, Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/Univ. Claude Bernard Lyon 1/Centrale Lyon/INSA Lyon/CPE Lyon)
Lotfi Berguiga
Ingénieur de recherche au CNRS, Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/Univ. Claude Bernard Lyon 1/Centrale Lyon/INSA Lyon/CPE Lyon)
Communication INSIS