Academic literature on the topic 'Dispositifs électro-optiques'

L'objectif de ce travail est de concevoir, fabriquer et caractériser des commutateurs électro-optiques à haute diaphotie de type Digital Optical Switch réalisés en optique intégrée sur InP. Nous avons commencé ce travail par une conception approfondie de nos commutateurs, à l'aide de logiciels de modélisation numérique (Analyse modale, BPM2D et BPM3D) développés à l'IEMN et adaptés à nos dispositifs, et proposé une forme originale de la structure guidante et des électrodes. Une première réalisation a conduit à des diaphoties ne présentant que 20dB ; en parallèle, des dispositifs spécifiques nous ont permis d'analyser les mécanismes liés aux effets d'injection de porteurs libres; Par rétrosimulation, nous avons mis en évidence l'origine de l'écart entre diaphotie mesurée et prévue théoriquement (>30dB) ; nous avons apporté les modifications technologiques nécessaires. La caractérisation de ces nouveaux composants a montré des diaphoties supérieures à 40dB, correspondant à un record pour ce type de dispositif. Nous terminons ce mémoire par quelques perspectives.

Ce travail concerne les études expérimentales et théoriques de la réponse électro-optique de cellules de cristaux liquides SmC* en configuration torsadée. Les effets des paramètres physiques du cristal liquide, du confinement et ceux de la présence d'impuretés ioniques sur le comportement des cellules ont été clairement identifiés et analysés. Une attention particulière a été portée sur les rôles de la polarisation spontanée et de la dynamique des charges ioniques. Le modèle statique que nous avons développé a permis d'analyser les influences combinées de la structure torsadée et du vecteur polarisation spontanée Ps sur l'intensité transmise. Les divergences de Ps se traduisent par l'apparition de charges de polarisation. Ce modèle a permis de calculer la distribution de l'angle azimutal j(z), le champ électrique interne et la transmission de la lumière par les cellules placées entre polariseurs parallèles. Les courbes de transmission en fonction de la tension appliquée présentent une forme en « V ». Cette forme est principalement liée à la polarisation spontanée, à l'épaisseur de la cellule et aux couches d'alignement. Le modèle dynamique proposé rend compte des décalages, du « V », observés expérimentalement. L'interaction des charges ioniques avec les charges de polarisation modifie profondément les distributions de j(z) et donne lieu à un champ ionique interne. La présence de ce champ ioniques quand aucune tension n'est appliquée est à l'origine de deux modes de fonctionnement. Aux hautes fréquences (i. E F>10Hz) ce champ influence la distribution de j(z) et l'allure de la courbe de transmission est déformée, le paramètres pertinent est alors la densité en charge ionique. Aux basses fréquences, selon la densité et la mobilité ionique, les charges ioniques se redistribuent continuellement en suivant les charges de polarisation et le champ appliqué. La distribution de j(z), et par suite,la courbe de transmission, sont donc profondément modifiées. Les mesures de la transmission électro-optique confirment l'ensemble des résultats et montrent que les forces d'ancrages jouent un rôle important.

Les modulateurs développés actuellement pour les télécommunications optiques à haut débit souffrent généralement, dans leur partie DC, d’un phénomène de dérive, dont les causes ne sont pas totalement élucidées. Afin de trouver des origines de cette dérive nous avons commencé par caractériser un modulateur Mach-Zehnder commercial. Ceci nous a permis d’identifier l’existence de trois phénomènes : un premier phénomène à temps de réponse rapide lié à la couche de silice, un deuxième lié à l’anisotropie du substrat et un troisième phénomène corrélé aux hétérogénéités de surface induites lors de la fabrication du composant. Cette analyse nous a conduit à envisager une solution aux problèmes des dérives liées à la relaxation des charges dans la structure du composant. Cette solution consiste à compenser les dérives liées à l’anisotropie du substrat de LiNbO3 par celles dues aux hétérogénéités électriques de surface. Afin de mettre en oeuvre cette solution nous avons développé un modèle physique basé sur les équations de Maxwell qui permet de calculer la carte de conductivité idéale permettant de supprimer la dérive à long terme. Ce calcul nécessite la connaissance des temps de réponse caractéristiques du substrat de LiNbO3. C’est pourquoi nous avons mis en place deux bancs de mesures, un montage de Sénarmont et un interféromètre de Mach-Zehnder. Ces montages nous ont permis de mesurer l’évolution temporelle du champ électrique induit dans le substrat lors de l’application d’un échelon de tension et d’en déduire ces temps de réponses
The modulators currently developed for high speed optical telecommunications generally suffer, in their DC part, from a drift phenomenon, whose causes are not completely understood. In order to find the origins of this drift we started by characterizing a commercial Mach-Zehnder modulator. This enabled us to identify the existence of three phenomena : a first phenomenon with a fast response time related to the silica layer, a second one related to the anisotropy of the substrate and a third phenomenon linked to the heterogeneities of surface induced during the fabrication of the device. This analysis led us to consider a solution to the problems of the drifts related to charges relaxation in the structure of the device. This solution consists in the compensation of the drifts related to the anisotropy of the substrate of LiNbO3 by those due to the electric heterogeneities of the surface. In order to implement this solution we have developed a physical model based on the Maxwell’s equations which allows to calculate the map of the ideal electrical conductivity allowing to remove the long-term drift. This calculation requires the knowledge of the response times of the LiNbO3 substrate. This is why we have developed two experimental setups, one based on the Senarmont’s method and the other on a Mach-Zehnder interferometer. These setups enabled us to measure the temporal evolution of the electric field induced in the substrate during the application of a voltage step and to deduce these response times from them

Nous examinons la possibilité de créer de nouveaux composants électro-optiques à l’aide de surfaces mésogènes contrôlées par champs électromagnétiques. Ces surfaces programmées ont comme fonction d’imposer une orientation sur le volume de cristal liquide lui étant juxtaposé afin de produire les propriétés électro-optiques désirées. L’étendue et l’efficacité de ces propriétés ont un impact technologique important par exemple dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides et des atténuateurs optiques variables. Plus spécifiquement, cette recherche analyse l’interaction de surface entre le substrat mésogène et le cristal liquide ainsi que les diverses avenues pratiques en découlant. Par exemple, l’importance de l’interdiffusion entre ces deux milieux sera détaillée et liée à la création de réseaux autoorganisés en surface. Ce phénomène précurseur permet la création d’un système composite novateur de cristaux liquides stabilisés par surfaces mésogéniques avec comme application les atténuateurs électro-optiques.
We investigate the possibility of creating new electro-optical components using mesogenic surfaces controlled by electromagnetic fields. These programmed surfaces have the function of imposing an alignment on the juxtaposed volume of liquid crystal to produce the desired electro-optical properties. The extent and effectiveness of these properties have a great technological impact such as in the field of liquid crystal displays and variable optical attenuators. More specifically, this research addresses the surface interaction between the mesogen substrate and the liquid crystal and various practical avenues resulting therefrom. For example, the importance of interdiffusion between those two materials will be detailed and linked to the creation of surface self-organizing networks. This original phenomenon allows the creation of a surface - polymer stabilized liquid crystal composite which is applied to electro-optical attenuators.

En premier lieu, des couches minces épitaxiales ont été obtenues sur des substrats de silicium grâce à l’utilisation de l’épitaxie par jets moléculaire et de couches tampons de titanate de strontium SrTiO3. Une technique de croissance par co-déposition a été développée de manière à obtenir un rapport Ba:Ti proche de la stoechiométrie, et ce afin d’éviter la formation de défauts cristallins dans la couche de BaTiO3. Le matériau déposé cristallise dans une structure de symétrie quadratique, ce qui est unpré-requis pour l’obtention de propriétés électro-optiques. De plus, selon les conditions de croissance, l’axe c de la maille élémentaire quadratique a pu être ajusté de manière à être aligné parallèlement ou perpendiculairement à la surface du substrat. L’utilisation d’une mince couche tampon de nucléation a également permis de croitre des films mincesBaTiO3 épitaxiées par pulvérisation, technique largement répandue en milieu industriel.Un coefficient de Pockels élevé a par la suite été obtenu sur de tellescouches épitaxiées. La valeur mesurée de 148pmV est clairement supérieure aux valeurs admises dans la littérature pour d’autres matériaux nonlinéairestels que le niobate de lithium, pour lequel un coefficient de31pmV est rapporté. La méthode de caractérisation électro-optique développée à cette occasion révèle également le caractère ferroélectrique des couches de BaTiO3, observé pour la première fois dans de tels matériaux épitaxiés sur silicium.Finalement, ces couches minces électro-optiquement actives ont été intégrées dans des dispositifs photoniques sur silicium. Dans cette optique,une structure de guide d’onde à fente a été utilisée en insérant 50nm deBaTiO3 entre deux couches de silicium. Dans ce type de structure, le confine mentoptique est 5 fois supérieur à celui obtenu pour des guides d’onde en silicium avec une gaine à base de BaTiO3. Des guides d’ondes rectilignesont tout d’abord été fabriqués, pour lesquels des pertes optiques del’ordre de 50−100 dB/cm ont été mesurées. Par la suite, des composants passifs fonctionnels ont été fabriqués, tels que des interféromètres typeMach-Zehnder, des résonateurs circulaires et des coupleurs. Finalement,la fonctionnalité de composants actifs a été démontrée pour la première fois, en se basant notamment sur des résonateurs ayant un facteur de qualité Q d’environ 5000, et pour lequel la résonance varie en fonction du champ électrique transverse. L’origine physique de cette variation n’a cependant pas pu être expliquée sur la seule base de l’effet Pockels. Cette thèse démontre que l’utilisation de nouveaux matériaux électro optiquement actifs au coeur de dispositifs photoniques sur silicium créede nouvelles opportunités pour la conception et l’ingénierie de circuitsphotoniques. L’intégration d’oxydes tels que barium titanate permet d’envisager de nouveaux concepts de dispositifs pour ajuster, moduler ou commuter la lumière au sein de circuits photoniques denses. De nouveaux défis et perspectives s’ouvrent également aux scientifiques pour modifier artificiellement les propriétés électro-optiques de ces matériaux, que ce soit par contrainte, dopage ou par l’ingénierie de multicouches. De telles avancées pourront sans aucun doute fortement améliorer les performances des dispositifs
A novel concept of utilizing electro-optical active oxides in silicon photonic devices is developed and realized in the frame of this thesis. The integration of such oxides extends the silicon photonics platform by non-linear materials, which can be used for ultra-fast switching or low-power tuning applications. Barium titanate is used as active material as it shows one of the strongest Pockels coefficients among all oxides. Three major goals are achieved throughout this work: First, thin films of BaTiO3 are epitaxially grown on silicon substrates via molecular beam epitaxy (MBE) using thin SrTiO3 buffer layers. A shuttered co-deposition growth technique is developed in order to minimize the formation of defects in the BaTiO3 films by achieving a 1:1 stoichiometry between barium and titanium. The layers show a tetragonal symmetry and are therefore well-suited for electro-optical applications. The orientation of the long c -axis of the BaTiO3 crystal can be tuned to point perpendicular or parallel to the film surface, depending on the growth conditions. In addition, thin MBE-grown seed layers are combined with rf-sputter deposition. With this hybrid growth approach, rather thick ( > 100 nm), epitaxial BaTiO3 layers on silicon substrates are obtained with a commercially available, wide spread deposition technique. As a second goal, a strong Pockels coefficient of reff = 148 pm/V is determined in the epitaxial BaTiO3 films. This first experimental result on the electro-optical activity of BaTiO3 layers on silicon shows a clear enhancement compared to alternative non-linear materials such as lithium niobate with reff = 31 pm/V. By means of the electro-optical characterization method, also the presence of ferroelectricity in the films is demonstrated. Third, the electro-optical active BaTiO3 layers are embedded into silicon photonic devices. For this purpose, a horizontal slot-waveguide structure with a ~50 nm-thick BaTiO3 film sandwiched between two silicon layers is designed. With this design, the optical confinement in the active BaTiO3 layer is enhanced by a factor of 5 compared to Si-waveguide structures with a standard cross section and BaTiO3 as cladding. Straight BaTiO3 slot-waveguides with propagation losses of 50 − 100 dB/cm as well as functional passive devices such as Mach-Zehnder-interferometers, couplers, and ring resonators are experimentally realized. Additionally, first active ring resonators with Q-factors of Q~5000 are fabricated. The physical origin of the observed resonance shift as a function of the applied bias voltage, however, can not be conclusively clarified in the present work. The combination of high-quality, functional BaTiO3 layers with silicon photonic devices as demonstrated in this thesis offers new opportunities by extending the design palette for engineering photonic circuits with the class of electro-opticalactive materials. The integration of oxides such as BaTiO3 enables novel device concepts for tuning, switching, and modulating light in extremely dense photonic circuits. The integration also opens exciting challenges for material scientists to tailor the electro-optical properties of those oxides by strain engineering or fabrication of superlattice structures, which could ultimately lead to another boost of their electro-optical properties

Ce mémoire présente les travaux de conception et de réalisation d'un banc de mesures de paramètres électriques et optiques dédié au diagnostic de défaillances de systèmes optoélectroniques émissifs infrarouge (880 - 1550 nm). Les performances du banc comprenant des mesures courant-tension, puissance optique et spectre optique en température ont permis la discrimination de dégradations relatives au composant ou à l'alignement optique de diodes électroluminescentes ou têtes optiques. Les niveaux de contraintes apportées par des vieillissements, appliquées à des têtes optiques émissives 1310 nm à cavité Fabry-Pérot ont induit une chute de puissance optique de plus de 10% après un nombre réduit de cycles. L'origine de cette diminution de puissance optique peut être initiée par une défaillance au sein de la puce ou une instabilité du couplage avec la fibre optique. Les dérives du courant de seuil et du spectre optique ont confirmé des dégradations de la zone active. En revanche, les analyses électro-optiques ne permettent pas de déterminer l'origine de la défaillance dans le cas d'une dérive du couplage optique. Les tolérances submicroniques des éléments passifs d'alignement optique étant fréquemment à l'origine des défaillances, des simulations physiques non-linéaires par éléments finis ont été également effectuées afin de déterminer la susceptibilité thermomécanique d'un module optoélectronique émissif complet DFB 1550 nm. Cette étude a démontré l'accumulation de contraintes résiduelles après les tirs YAG, utilisés pour souder les sous parties entre elles, susceptibles de provoquer une déviation de l'axe optique théorique de 0,03ʿ responsables d'une chute de 15 % de la puissance optique. Un macromodèle, tenant compte des différentes étapes de fabrication et des caractéristiques expérimentales des matériaux en présence, a été développé, en accord avec le fabricant, pour optimiser les règles de conception de nouvelles générations de têtes optiques robustes.

L'objectif de la thèse est de réaliser des dispositifs électrochromes flexibles à signature infrarouge contrôlable dont les propriétés électro-optiques sont conférées par un polymère conducteur. En effet, l'application d'une différence de potentiel entre deux électrodes, dont l'une est le polymère conducteur, doit permettre de moduler la signature infrarouge du dispositif en bande II (3-5 µm) et III (8-12 µm), par modifications réversibles des propriétés optiques du polymère conducteur.

La couche mince de polymère conducteur est électrochimiquement déposée sur une membrane microporeuse dorée, réflectrice vis à vis du rayonnement incident. Le polymère conducteur passant d'un état optique transparent à absorbant lors du processus électrochimique de dopage-dédopage engendre alors le contraste. Deux polymères conducteurs ont été étudiés : la polydiphénylamine et le poly(3,4-éthylènedioxythiophène).

Le cyclage électrochimique des couches minces de polymères conducteurs met en évidence des effets de gonflement réversibles qui dépendent principalement de la nature du dopant et de l'électrolyte de cyclage. L'analyse de l'impédance d'une microbalance à quartz électrochimique, sur lequel est déposé le polymère, a permis de suivre in situ les changements de masse et de morphologie du film pendant les cycles d'oxydoréduction. Les insertions et les désinsertions des différentes espèces chimiques (ions et molécules de solvant) lors des processus redox ont ainsi pu être quantifiées. L'influence de la nature du dopant, l'effet de la nature de l'électrolyte de cyclage, ainsi que le type de signal électrique appliqué (triangulaire ou carré) ont été étudiés.

Des dispositifs électrochromes flexibles à base de membranes poreuses et de polymères conducteurs ont été assemblés. Nous avons pu alors montrer que le contraste réversible obtenu dans le moyen infrarouge était lié aux mouvements d'insertion et de désinsertion des espèces chimiques mis en évidence à l'aide de la microbalance à quartz.

La generalisation actuelle des echanges d'information a conduit a une croissance des besoins en bande passante des systemes de telecommunication. Le traitement tout optique de l'information est devenu necessaire generant un besoin accru des dispositifs optiques pour stocker, controler et traiter d'importantes quantites d'informations. Dans le domaine de telecommunications, l'effet electro-optique des differents materiaux est souvent utilise pour la realisation des composants. Les materiaux organiques offrent de nouvelles perspectives pour le developpement de dispositifs electro-optiques performantes grace a son bon coefficient electro-optique et sa forte bande passante. De plus, la facilite des techniques de mise en uvre facilite leur integration avec d'autres materiaux pour former des composants hybrides multifonctions. Le travail presente a comme objectif la realisation et caracterisation de dispositifs optiques en technologie hybride : un guide de surface fabrique par echange ionique et un polymere electro-optique comme milieu actif. Un polariseur te a ete fabrique en utilisant une methode d'orientation par effet corona, un taux d'extinction de 40 db et des pertes d'insertion de 5 db ont ete obtenus. L'implementation des depots des electrodes transparentes en ito permet la realisation du polariseur te avec une methode d'orientation sous champ electrique par des electrodes. Dans ce cas, un taux d'extinction de 34 db et des pertes d'insertion de 9 db ont ete mesures. Par ailleurs, une modulation de phase electro-optique a ete montree experimentalement avec une tension demi-onde v = 200 v sur une longueur de modulation de 0,3 cm.