Optiques en silicium : guide d’achat
Le silicium est un élément très connu car associé au hub international de la high-tech : la silicon valley en Californie (silicium = silicon en anglais). Cette dénomination provient de l’utilisation massive du silicium dans les semi-conducteurs, utilisation due à ses intéressantes caractéristiques diélectriques. Cependant dans ce guide, nous allons nous tourner plus particulièrement vers les caractéristiques optiques du silicium et son utilisation en tant que substrat pour les composants optiques.
Fenêtre optique en silicium
Pourquoi le silicium est utilisé en optique ?
Le silicium, élément au numéro atomique 14 et largement disponible, il représente même pratiquement 30% de la croute terrestre. Cette matière a de très bonne capacités de transmission dans l’infrarouge moyen. L’infrarouge moyen étant très utilisé pour l’imagerie, le biomédical et les applications militaires.
En outre, le silicium est une matière relativement dure qui résiste donc bien aux contraintes externes et qui n’est pas très sensible aux évolutions de température.
Finalement, le fait que le Si est virtuellement non-transparent aux longueurs d’ondes du visible est un avantage pour filtrer les signaux non essentiels pour des équipements travaillant sur le moyen infrarouge uniquement.
Quelles sont les propriétés du silicium ?
Tableau de propriétés
| Nom de la spécification | Valeur |
|---|---|
| Nom de la matière | Silicium |
| Formule chimique | Si |
| Indice de réfraction | 2,50 |
| Champs de transmission | 1,2µm à 7µm |
| Densité | 2,33 g/cm3 |
| Dureté | 1100 Knoop (MOHS 6,5) |
| Module de Young | 130,9 GPa |
| Expansion thermique | 2,6*10-6 °K-1 |
| Conductivité thermique | 163 W/(m*°K) |
| Point de fusion | 1690 °K |
Courbe de transmission
Ci-dessous, la courbe de transmission d’une fenêtre en silicium, la transmission peu grandement être améliorée entre 3 et 5µm en rajoutant un traitement anti-reflet.
Non coated Si window transmission curve
Si + AR sur champs 8-14µm
Quels sont les types de composants optiques qui peuvent être réalisés en silicium ?
Les optiques en silicium sont des composants optiques tels que des lentilles, des fenêtres et des dômes qui sont utilisés dans le domaine du moyen infrarouge. Le silicium est également un substrat commun pour les composants de micro-optique qui sont habituellement intégrés dans des assemblages optoélectroniques et les wafers.
Les caractéristiques optiques des fenêtres en silicium peuvent être améliorées par le dépôt d’un traitement antireflet. Leurs caractéristiques mécaniques peuvent elles être renforcées par le rajout d’un traitement DLC.
Spécifications générales pour la fabrication de lentilles et fenêtres
| Propriétés | Valeurs |
|---|---|
| Dimensions générales | Diam 3 à D400mm |
| Tolérances dimensionnelles | +/-0,01mm |
| Epaisseur | 1-50mm |
| Qualité de surface | S&D : 60/40 qualité normale; 40/20 qualité premium |
| Planéité | 1/2 lambda |
| Parallélisme | mieux que 10″ |
Les valeurs sont données à titre indicatif pour des optiques génériques, de meilleures valeurs peuvent être proposées au cas par cas.
Optiques IR : comment choisir entre silicium et germanium?
Pour les composants d’optique infrarouge, le germanium et le silicium sont les deux matières les plus populaires pour les substrats, ci-dessous les éléments pour pouvoir les différencier et effectuer le bon choix.
Premièrement, en terme de coût de la matière, le germanium est beaucoup plus cher que le silicium, cependant cet écart de coût se réduit de manière significative si l’on considère les grade de pureté optique de ces deux matières. La différence de prix des matière peut être également compensée par le fait que le silicone est une matière plus dure et donc plus difficile à travailler. Plus le composant sera complexe (lentille, asphère) plus il y aura de chance que le composant Si sera plus coûteux que sont équivalent en Ge.
Secondement, leurs spectres d’utilisation optimum sont différents (et complémentaires), alors que le silicium a une bonne transmission entre 3 et 5µm, le germanium est lui très passant entre 8et 12µm.
Troisièmement, les optiques en silicium sont plus résistant aux hautes températures que celles en germanium, utiliser du germanium à des température de plus de 100° en dégrade ses spécifications optiques.
Quatrièmement, le germanium a un index de réfraction plus important (4,05) que le silicium ( 2,5), cela est intéressant pour le design de lentilles avec de plus larges champs de vision.
Finalement, du fait de son spectre de transmission plus large, le germanium est préféré pour les applications avec des lasers CO2.
Comment trouver un bon fournisseur pour des optiques en silicium?
Les composants optiques en silicium sont fabriqués par des fabricants d’optique de précision spécialisés dans les composants IR. Du fait de la valeur élevé de la matière, la spécialisation permet à ces sociétés d’avoir des outils dédiés, mois de pression sur les stocks et des risques plus faibles de rejets pour non-qualité.
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