Dispositifs optiques à contraintes accordables

Les réseaux accordables tels que les GLV ou le polychromateur peuvent être décrits comme numériques ou digitaux parce que l'actionnement résulte d'un changement de la période du réseau et d'une modulation de son profil par quantités discrètes, égales à la taille des rubans micro-usinés. Dès lors, la « reconfigurabilité » est limitée par la plus petite dimension permise par le processus de lithographie. Pour ouvrir des possibilités à de très petite échelles, il a été nécessaire developper une nouvelle classe de réseaux accordables « analogiques ». Le nano-positionnement est une possibilité fonctionnelle additionnelle offerte par ces dispositifs, celle-ci est nécessaire pour permettre une reconfiguration suffisamment précise pour les applications optiques. Toutefois un autre aspect est sacrifié parce que ces dispositifs analogiques sont inadaptés par exemple pour réaliser les fonctions du polychromateur dans un spectromètre à corrélation.

Le balayage analogique d'un réseau de diffraction est obtenu par un actionnement transversal de la structure du réseau en utilisant un actionneur en couche mince piézoélectrique ou un peigne d'électrodes avec des réseaux repliés comme les décrivent l'image ci-dessous.

Afin d'obtenir le mouvement transversal, les gravures du réseau sont réalisées sur une membrane déformable en suspension. La membrane est tendue mécaniquement par les actionneurs piézoélectriques en couches minces réalisés avec une couche de titanate et zirconate de plomb en sandwich entre deux électrodes supérieure et inférieure situées aux deux extrémités de la membrane. Ces actionneurs piézoélectriques sont capables de produire une force suffisante pour étirer la membrane jusqu'à une contrainte de 0,3 % ou de manière équivalente jusqu'à produire une variation de 0,3 % de l'angle diffracté sous l'action d'un champ électrique en travers de la couche piézoélectrique. La contraction de la couche piézoélectrique entraîne une contrainte mécanique sur la membrane dans la direction transversale.

Compte-tenu de la possibilité d'un contrôle très précis de la tension appliquée sur une couche mince piézoélectrique, il est possible d'obtenir une résolution meilleure que 0,05 nm dans les varitaions de la période du réseau correspondant à une résolution angulaire meilleure que 2,1 µrad; alors même que les possibilités actuelles de la métrologie ne permettent pas une résolution observable inférieure au nanomètre. Les pivotements et torsions de la membrane en dehors du plan d'équilibre, les rotations asymétriques pendant l'actionnement, les perturbations thermiques, les vibrations et les techniques de détection optique peuvent limiter la résolution la plus fine atteignable. La démonstration de réseaux de diffraction accordables a permis d'observer l'accordabilité de l'angle de diffraction du 1er ordre jusqu'à 486 µrad sous 10 V avec des déplacements minimaux observables de la période du réseau d'environ 0,6 nm sous 1 V.

La reconfigurabilité combinée avec le nano-positionnement conduit à des possibilités d'applications intéressantes pour les dispositifs à réseaux accordables.

C'est une autre possibilité intéressante qui a été développée pour compenser la limitation de l'ouverture des spectromètres à réseaux. Pour résumer, on peut poser le problème de la manière suivante : la résolution spectrale d'un spectromètre à réseau est déterminée par le nombre de périodes N du réseau. D'où, comme la surface accessible dans un spectomètre miniature est petite (par définition), le spectre obtenu peut être flou. En d'autres termes, la valeur mesurée de la densité spectrale à une longueur d'onde donnée ne correspond pas à la valeur réelle de l'échantillon testé mais elle contient aussi des contributions des autres longueurs d'onde voisines (c'est le phénomène de convolution). Il est bien entendu possible de remonter à la densité spectrale réelle par une opération de déconvolution connaissant la réponse impulsionnelle du réseau qui dépend de N et la réponse impulsionnelle de l'optique de collection de la lumière. Cette déconvolution peut être réalisée numériquement par un post-traitement du spectre mesuré. Cependant l'opération de déconvolution est très sensible au bruit inhérent à toute mesure. On a découvert que, en balayant le réseau et en répétant la mesure spectrale, on pouvait récupérer le spectre flou avec une sensibilité bien plus faible au bruit et par conséquent une bien meilleure définition.

La diversité optique fonctionne de la manière suivante : la periode du réseau est d'abord fixée à une valeur initiale et une première mesure floue est faite. Le réseau est ensuite actionné de telle sorte que sa période change d'une petite quantité et une seconde mesure floue est faite. Ce processus est répété en fonction du niveau de bruit observé. Plus le rapport signal sur bruit est faible, plus le nombre de mesures nécessaires est grand. L'ensemble des spectres flous récoltés est ensuite traité en utilisant une classe d'opérations mathématiques appelée « régularisations pseudo-inverses ». Après cette étape, on obtient le spectre final « dé-flouté ». La qualité du processus de traitement du signal est liée au niveau du bruit de mesure et à la précision et la définition de l'actionnement des réseaux. Il ressort que la diversité optique est un bon exemple pour montrer comment la reconfigurabilité et le nano-positionnement peuvent aider à résoudre un problème optique important dû à la miniaturisation des spectromètres.