Academic literature on the topic 'Modulateurs de lumière – Électrooptique'

La diffusion de la lumière est souvent considérée comme un obstacle en optique, dont on souhaite s’affranchir. Alors que c’était encore inconcevable au début du siècle (il y a à peine 15 ans !), il est désormais possible de manipuler la lumière cohérente multidiffusée dans des échantillons complexes grâce aux modulateurs spatiaux de lumière. Cette nouvelle thématique, dite du « contrôle du front d’onde », s’avère très prometteuse pour l’imagerie en profondeur, mais également pour le contrôle de l’interaction lumière-matière en milieu désordonné.

Les besoins en dispositifs opto/hyperfréquences, pour moduler les informations en transit sur réseaux de télécommunications fibrés et hertziens, ont conduit au développement de matériaux organiques actifs en optique non linéaire, prometteurs en terme de performance mais limités par une faible stabilité dans le temps de leurs propriétés. L’objectif de ce travail était de caractériser les propriétés optiques du polymère PGMA-DR1 (PIII), ainsi que d’étudier sa mise en forme et son intégration dans une structure guidante en vue de la réalisation d’un modulateur électro-optique. La caractérisation de l’orientation des chromophores du PIII par génération de seconde harmonique a mis en évidence la capacité du matériau, après réticulation, à conserver ses propriétés sur une durée de plus d’un an. La structuration du polymère d’étude sous la forme d’un guide d’onde canal monomode, par un procédé de photolithographie et de gravure ionique réactive, nous a permis d’étudier ses propriétés de guidage, conduisant à des atténuations linéiques comprises entre 10 dB/cm et 3 dB/cm à 1,55 µm. De plus, des techniques alternatives de structuration du polymère par lithographie douce ont été étudiées. Les procédés de hot embossing et de replica molding permettent de simplifier la technologie de réalisation des guides. Finalement, la possibilité de réaliser in-situ l’étape d’orientation des chromophores, par procédé de poling en géométrie plan-plan, lors de la mise en forme du matériau a été démontrée
The need of opto-hyperfrequency hybrid devices for signal modulation in optical fiber and free space telecommunication networks has induced the development of non linear optical organic materials, which are rather promising in terms of performance, however, are limited in stability of its properties and thus in life time. Objective of the present work was the characterization of the optical properties of the polymer PGMA-DR1 (PIII), as well as the study of material shaping and integration into a wave guiding structure in order to realize an electro-optic modulator. Characterization of the chromophores’ orientation in the PIII by second harmonic generation after cross-linking has shown the materials capacity to preserve its properties for at least one year. Shaping of the polymer into a linear monomode wave guide by conventional photolithography and reactive ion beam etching techniques, allowed to study the light guiding properties and resulted in an attenuation between 3 dB/cm and 10 dB/cm at 1,55 µm wavelength. Alternative polymer shaping techniques, using soft lithography, were employed. Hot embossing and replica molding allow simplifying the realization technology. Finally, the possibility to realize in situ orientation of the chromophores during shaping of the material by poling in a parallel plate condenser geometry has been shown

L'étude proposée s'insère dans le cadre de travaux concernant la réalisation de guides plans et l'analyse du fonctionnement de dispositifs utilisant des ondes optiques de surface de type plasmons. L'excitation de plasmons de surface se matérialisant par des pics de résonance étroits dans les courbes de réflexion totale atténuée, il est possible d'utiliser de telles ondes dans des dispositifs de type modulateur électro-optique. Une étude des guides plans comportant une interface métallique permet de mettre en évidence le comportement de modes guides particuliers faisant intervenir une oscillation collective des électrons du métal (plasmons). L'équation de dispersion d'une structure guidante est alors traitée de façon généralisée pour montrer les couplages qui peuvent intervenir entre deux plasmons identiques dans des structures de type métal /diélectrique / métal : ces résultats permettent de caractériser les plasmons de surface à faibles pertes. La modélisation des courbes de réflectivité permet ensuite de voir quelles sont les modifications apportées aux caractéristiques des plasmons quand on utilise un coupleur à prisme. L'aspect modélisation de dispositifs de modulation du faisceau réfléchi par effet électro-optique est abordé : ces modèles permettent de prévoir les performances de tels modulateurs et montrent que l'utilisation des plasmons de surface à faibles pertes peut conduire à des résultats comparables à ceux obtenus avec des modes guides dans des diélectriques. Enfin, on montre qu'il est possible grâce au dispositif de mesure mis en oeuvre de comparer facilement les résultats théoriques provenant d'une modélisation et les courbes expérimentales résultant de mesure du coefficient de réflexion

Suite au développement remarquable d'Internet, il est attendu que le trafic numérique augmente de manière exponentielle, ainsi que la nécessité d'utiliser des liens de communication très hauts débits. Pour adresser ces problématiques, il est donc essentiel de proposer des systèmes performants avec une consommation énergétique réduite. La photonique sur silicium est une solution prometteuse qui répond à ce besoin en intégrant des fonctionnalités optiques dans un circuit intégré utilisant les procédés de fabrication de pointe de la microélectronique. Dans ce contexte le sujet de thèse porte sur le modulateur optique. Celui-ci doit supporter des hauts débits de transmission, avoir de faibles pertes optiques, et être peu énergivore. Pour respecter ces objectifs, plusieurs paramètres doivent être optimisés en tenant compte des contraintes de fabrications, afin de trouver le meilleur compromis entre ces différents facteurs de mérite. Durant cette thèse, la recherche de l'obtention de meilleures performances du composant a été faite de trois manières. La première approche a été d'améliorer les simulations de la technologie existante de modulateurs à jonction PN. En intégrant les étapes de fabrication dans le processus d'optimisation des performances du composant, les résultats numériques sont plus réalistes. Le point clé de cette étude est la comparaison entre les caractérisations et les simulations de deux architectures différentes de modulateur obtenues dans les mêmes conditions de fabrication. Une partie importante de la thèse a aussi été consacrée au développement de nouveaux modulateurs basés sur l'utilisation d'une capacité verticale intégrée au milieu d'un guide d'onde. Des outils numériques dédiés ont permis de dimensionner deux nouvelles architectures de modulateurs possédant une grande efficacité. Un nouveau procédé de fabrication a été mis en place, et les premiers lots d'étude nous ont permis d'extraire des informations utiles pour la fabrication de ces composants. Enfin, une étude comparative générale entre trois des modulateurs étudiés au cours de cette thèse a été faite. Les résultats permettent de déterminer la configuration optimale pour chaque type de modulateur en fonction de l'application visée. De plus, l'ensemble des données nous a permis de générer un modèle compact pour optimiser rapidement le composant en un temps de simulation réduit
With the outstanding development of the internet, it is expected that global network traffic will grow exponentially, as well as the concern about the need for high-speed links and interconnections. To address these issues, it is then essential to propose performant systems that will support high speed transmission with low power consumption. Silicon photonics is a promising solution and integrate complex optical functions in a silicon chip, by using standard fabrication process used in microelectronic. In this context, the subject of my PhD is focused on the optical modulator which should support high speed transmission, have low optical losses, and have low power consumption. To obtain these constraints, several parameters need to be optimized while taking account fabrication constraints in order to find the best compromise between the different figures of merit. During this PhD, the improvement of the performances of the component was made by three different ways. The first optimization is related to the simulations for the current technology of modulators based on PN junctions. By integrating the fabrication process in the optimization process, more reliable numerical results are obtain. The key point of this study is the comparison of experimental characterizations and numerical simulations of two architectures of modulator. A substantial part of the PhD was also focused on the development of new modulators based on vertical capacitive junctions. The use of dedicated numerical tools reveals several key aspects of these components, and allow us to optimize two different architectures in order to obtain high efficient modulator. A new fabrication process has been established, and several information were extracted from the first run of fabrication. Then, a comparative study between most of modulators reviewed during this PhD was performed. The results allow us to determine which configuration has the best performances depending of the targeted application. In addition, a compact model was generated to optimize the component in a reduced simulation time

Les superreseaux mixtes type i/type ii ingaas/ingaas constituent une classe particuliere de nano-structures tres etudiees pour leurs applications potentielles en optoelectronique, dans la gamme des 1. 55 m. L'alignement indirect de la bande de valence de trous legers et sa grande sensibilite a toute perturbation exterieure permettra en particulier la conception de modulateurs electro-optiques bases sur l'effet wannier-stark. L'essentiel de ce travail porte sur la possibilite de realiser une modulation tout optique des heterostructures in#0#. #4#7ga#0#. #5#3as/in#1#-#xga#xas epitaxiees par epvom. Nous montrons qu'il est fondamental de faire une analyse precise des proprietes structurales des dispositifs etudies puisque leur reponse finale depend de leurs caracteristiques structurales. Le jeu de parametres obtenu permet de calculer les niveaux d'energie confines correspondants, qui dans le cas des diodes pin, sont regroupes en echelles de wannier-stark. Nous pouvons ainsi parfaitement identifier les structures marquantes des spectres optiques obtenus a basse temperature. Nous montrons que, en ecrantant optiquement le champ electrique interne des diodes, une modulation efficace des spectres d'absorption est possible. La configuration particuliere type i/type ii de ces structures permet d'augmenter l'efficacite de la modulation car la transition de type ii, localisee autour de 1. 55 m et resultant de la delocalisation des electrons et des trous legers, est caracterisee par un bord d'absorption peu marque, dont la modulation peut etre tres efficace

Le niobate de lithium (LiNbO3 : LN) est un matériau largement utilisé en optique de par ses propriétés électrooptiques et non linéaires très intéressantes. Il est utilisé en particulier sous forme massive dans les dispositifs actifs tels que les modulateurs électrooptiques. Son utilisation sous forme de couches minces offrirait l’avantage de diminuer fortement la distance inter-électrodes et d’améliorer le facteur de recouvrement entre les champs optique et appliqué tout en facilitant l’intégration et la miniaturisation des dispositifs. Notre travail a consisté, dans un premier temps, à optimiser, à partir des méthodes utilisant les plans d’expériences, les conditions de dépôt par ablation laser de couches minces de LN épitaxiées sur des substrats en saphir. Les caractérisations structurales et microstructurales ont mis en exergue la très bonne qualité cristalline des films réalisés. Ces films d’épaisseur moyenne 150 nm permettent une propagation à faibles pertes (≤1 dB/cm) compatible avec une utilisation en tant que guides d’ondes. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au choix du type d’électrode nécessaire à la conception d’un modulateur électrooptique. Notre choix s’est porté sur le matériau ZnO. Nous avons démontré que les couches de LN étaient épitaxiées sur ZnO lui-même épitaxié sur saphir. Aucun guidage n’a pu être mis en évidence dans l’hétérostructure LN/ZnO/saphir car elle présente des pertes optiques importantes en raison de la valeur trop élevée de la conductivité des films de ZnO (σ ≥ 500 S. M-1). Pour remédier à ce problème, des simulations numériques ont montré que l’utilisation d’une couche de ZnO moins conductrice permettait de diminuer les pertes, une étude de LN/ZnO peu conducteur/saphir (σ < 50 S. M-1) a d’ailleurs mis en évidence une propagation optique. Ainsi, une hétérostructure LN/ZnO peu conducteur/ZnO conducteur/saphir serait une bonne solution pour envisager une modulation électrooptique d’un faisceau lumineux
Lithium niobate (LiNbO3: LN) is a widely used optical material due to its interesting electrooptical and non linear properties. LN is particularly used as bulk technology in active devices such as electrooptical modulators. Thin films offer the advantage of strongly decreasing the distance between electrodes and improving the recovering factor of optical and applied fields and allow integration and devices size reduction. Firstly, our work has consisted in optimizing from experimental designs the deposition parameters leading to the elaboration by laser ablation of epitaxially grown lithium niobate films onto sapphire substrate. Structural and microstructural characterizations underline the very high quality of as-grown layers. These ones, exhibiting an average thickness of 150 nm, allow light propagation with low losses (≤1 dB/cm) compatible with the aim of wave guide’s use. Secondly, we focused on the electrode’s choice necessary for the electrooptical modulator conception. ZnO material was chosen. We have demonstrated an epitaxial growth of lithium niobate onto ZnO film itself epitaxially grown onto sapphire. Nevertheless, no guiding mode has been highlighted in LN/ZnO/sapphire heterostructure because of important optical losses attributed to high conductive values (σ ≥ 500 S. M-1) of the ZnO thin layers. To solve this problem, numerical simulations helped us to put forward the necessity of introducing a ZnO low conductive values buffer layer in order to decrease the optical losses. The study of such a structure allowed us to highlight an optical propagation. So, a LN/low conducting ZnO/highly conducting ZnO/sapphire heterostructure would certainly be a suitable solution to envisage the electrooptical modulation of a light beam

Des mesures des paramètres diélectriques du metaniobate de lithium dans le domaine microonde, on détermine les paramètres caractéristiques des lignes coplanaires sur ce substrat dans l'approximation quasi-tem. Cette étude a conduit à plusieurs réalisations de lignes sur linbo::(3) ayant des dimensions adaptées aux modulateurs à ondes progressives. Puis, utilisant la matrice de transfert, on lie les caractéristiques des ondes modulées et modulantes pour aboutir au comportement hyperfréquence des modulateurs à ondes progressives.

Les polymères électro-optiques devraient permettre de réaliser à terme des modulateurs de meilleures performances au moindre coût que ceux à base des cristaux inorganiques comme LiNbO3 et des semi-conducteurs comme GaAs. Cette thèse porte sur la conception de la structure optique et hyperfréquence d'un modulateur Mach-Zehnder sur polymère, en vue de démontrer la faisabilité de sa réalisation à base du polymère électro-optique PIII (PGMA/DR1). L'étude de la structure optique à l'aide du logiciel OptiBPM a permis d'abord de dimensionner la section droite du guide d'onde monomode avec un fort taux de confinement, afin de minimiser l'absorption de l'onde évanescente par l'électrode métallique et la tension de commande du modulateur. L'étude des jonctions Y a abouti à un compromis entre les pertes par absorption du polymère PIII et celles par courbure, tout en respectant la distance minimum requise entre les deux bras de l'interféromètre Mach-Zehnder permettant d'éviter que le champ appliqué à un bras ne déborde sur l'autre. Afin de réduire le coût de fabrication des modulateurs et de faciliter leur caractérisation sur wafer avec des pointes CPW, nous avons étudié des transitions coplanaire et microruban très large bande sans via-holes ni motif dans le plan de masse. Les résultats de mesures et de simulations effectuées à l'aide du logiciel HFSS sont en très bon accord pour les transitions aussi bien sur le substrat commercial NH9338 que sur le polymère SU8 en couche mince de 8 µm. Les simulations prévoient une bande passante de 420 MHz à 60 GHz pour une transition GCPW-MS-GCPW sur le polymère NOA61 en couche mince avec une métallisation d'argent de 6 µm.

Les performances des modulateurs de lumières à commande optique (OASLMs) à base de cristaux liquides (CLs) dépendent fortement des propriétés de la couche photosensible. Afin de concilier transparence, résolution latérale et production à bas coûts, les semi-conducteurs organiques apparaissent comme des candidats idéaux. Nous avons choisi d'utiliser un mélange P3HT:PCBM comme couche photosensible. Nos résultats ont montré que les cristaux liquides se réorientaient en fonction de l'intensité lumineuse seule et sans tension appliquée. Des mesures complémentaires indiquent que l'effet photovoltaïque est à l'origine de ce phénomène. Ce type de dispositif nous permet de moduler spatialement l'orientation des CLs et démontre son potentiel dans des applications liées à l'holographie. Un second type de dispositif intégrant des couches d'interfaces de PEIE et de PEDOT:PSS nous permet de contrôler l'orientation des CLs et donne de nouvelles pistes permettant de fabriquer des OASLMs autonomes
The performances of liquid crystals (LCs) based optically addressed Spatial Light Modulators (OASLMs) strongly depends on the photosensitive layer properties. To accommodate device transparency, lateral resolution and low cost production, organic semiconductors appear as the ideal candidates. We chose to use a P3HT: PCBM blend as the photosensitive layer. Our results showed that the liquid crystals reorient according to the luminous intensity alone and without external power supply. Additional measurements indicate that the photovoltaic effect is at the origin of this phenomenon. This type of device allowed spatial modulation of the LCs orientation and demonstrates its potential in holographic applications. A second type of device integrating interfacial layers of PEIE and PEDOT: PSS allowed us to control the orientation of the LCs and gives promising routes towards the design of self-sustainable OASLMs

Nous proposons de mettre en oeuvre un prototype d'imageur de polarisation par l'utilisation d'un modulateur de lumière à cristaux liquides ferroélectriques. Ce travail réside dans la caractérisation et la commande optimisée de ce modulateur de manière à produire des images polarimétriques de Stokes à haute cadence, c'est-à-dire au delà de 200 Hz. Le modulateur à cristaux liquides ferroélectriques est utilisé comme une lame de rotation de polarisation permettant d'obtenir l'image du degré de polarisation linéaire partiel puis linéaire total à la longueur d'onde de référence du modulateur pour l'observation d'une scène dépolarisante en mouvement. En changeant de longueur d'onde, nous accédons au degré de polarisation complet, ainsi qu'au vecteur de Stokes de l'onde lumineuse observée. Nous avons apporté un outil rapide pour l'imagerie de polarisation. Les perspectives sont l'observation d'autres paramètres de polarisation sur des objets en mouvement tels que leur matrice de Mueller
We propose the implementation of an imaging polarimeter prototype using a ferroelectric liquid crystal light modulator. This study lies on the characterization and the optimized control of this modulator to obtain a high speed polarimetric Stokes image at a frame rate higher than 200 Hz. The ferroelectric liquid crystal modulator is first used as a rotating polarization waveplate to obtain images of partial linear degree of polarization. Then, images of total linear degree of polarization can be obtained at the modulator reference wavelength and can be used to observe moving depolarizing objects. Using another wavelength, we can obtain the complete degree of polarization and the Stokes vector of the considered light wave. We implemented a high-speed device for polarization imaging. Prospects of this implementation are observations of other polarization parameters (eg Mueller Matrix) of moving objects

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