Travaux Pratiques : Effet Pockels et modulation

Travaux Pratiques : Effet Pockels et modulation électro-optique
Thèmes abordés
Polarisation et changement de l’état de polarisation de la lumière,
biréfringence naturelle et induite, modulation de polarisation,
modulation d’amplitude, modulateur électro-optique, effet
Pockels, transmission optique, démodulation, cristal de Niobate
de Lithium (LiNbO3).
Principes et objectifs
De nos jours l’essentiel de l’information se trouve sous forme
électrique (ordinateur, téléphone, …). L’utilisation de la lumière
comme moyen de transport de l’information étant le procédé le
plus performant, il est nécessaire de concevoir des systèmes
permettant de transformer l’information électrique en
information lumineuse. Une des solutions est de moduler
directement la source lumineuse en fonction de l’information
électrique (diode électroluminescente). L’autre solution est de
moduler, de façon externe, l’intensité, la phase ou la polarisation
de l’onde lumineuse : ceci peut être réalisé par effet électrooptique encore appelé effet Pockels.
Le but final de l’expérience décrite dans ce document est
d’utiliser l’effet Pockels pour inscrire et transporter une
information électrique sur une porteuse optique.
Une faisceau laser est polarisé rectilignement à 45° des axes
(X,Y) du cristal de Niobate de Lithium (LiNbO3). Le faisceau
traverse ce cristal suivant son axe optique (Z).
Une tension appliquée au modulateur permet de modifier de
manière linéaire les indices de réfraction du cristal de LiNbO3
(effet Pockels). La biréfringence du cristal est alors modifiée,
entraînant un déphasage entre les ondes ordinaires et
extraordinaires se propageant dans le cristal. Ce déphasage induit
une modification de la polarisation en sortie du modulateur.
L’analyseur placé avant le détecteur permet de transformer cette
variation de polarisation en variation d’intensité. La fonction de
transfert du montage (intensité transmise / intensité incidente) est
obtenue soit par rotation de l’analyseur, soit par application
d’une tension continue au cristal. La courbe ainsi obtenue permet
d’accéder à la tension demi-onde du matériau et de déterminer
son coefficient électro-optique (r22).
Une tension alternative permet de réaliser une modulation de
polarisation et donc une modulation d’amplitude du faisceau
laser. Différents types de signaux recueillis par le détecteur
peuvent être observés et analysés en fonction du déphasage
induit.
La dernière partie de l’étude est consacrée à la réalisation d’un
montage permettant la transmission optique d’un signal radio
(Fig. 1).
Matériels nécessaires
Banc optique profilé
1
Base pour banc optique
2
Curseur pour banc optique
6
Laser, He-Ne 1.0 mW, polarisation linéaire
1
Polariseur avec monture rotative
1
Lame quart d’onde avec monture rotative
1
Lame demi-onde avec monture rotative
1
Modulateur électro-optique
1
Générateur – amplificateur de commande
1
Système de détection
1
Multimètre
1
Oscilloscope, 2 canaux
1
Radio et Haut Parleur
1
(les différents câbles sont fournis avec leurs appareils respectifs)
Problèmes traités
1. L’intensité reçue par le détecteur est à relever en fonction de
l’angle de rotation du polariseur (Loi de Malus).
2. Le déphasage induit par le modulateur électro-optique est à
enregistrer en fonction des différentes tensions continues
appliquées au cristal. Il est alors possible de déterminer la tension
demi-onde (Vπ) du matériau et de remonter à la valeur de son
coefficient électro-optique.
3. L’état de polarisation en sortie du modulateur est à analyser en
fonction de la tension continue appliquée au cristal de LiNbO3.
4. Les différents signaux modulés par l’application d’une tension
alternative au modulateur sont à relever (amplitude, phase).
5. Une application de l’effet Pockels, l’inscription et le transport
d’un signal radio par un faisceau laser, est à réaliser.
Remarque
L’effet Pockels est un effet linéaire contrairement à l’effet Kerr
qui est quadratique. La tension appliquée à une cellule de
Pockels pour moduler un faisceau lumineux est beaucoup moins
importante que pour une cellule de Kerr.
Les modulateurs électro-optiques sont largement utilisés dans les
dispositifs optoélectroniques actuels (ex : systèmes de
communication et de traitement de l’information).
Fig. 1 : Montage expérimental d’inscription et de transport d’un signal radio sur porteuse optique
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1
Travaux Pratiques : Effet Pockels et modulation électro-optique
Fig. 2 : Le modulateur électro-optique (nouveau modèle)
Théorie et résultats
Dans le cas où la lumière se propage suivant l'axe optique (Z),et
lorsque le champ électrique est appliqué suivant Y (E2),
l'équation de l'ellipsoïde des indices de ce cristal peut s'écrire :
1
1
( 2 − r22 E2 ) X 2 + ( 2 + r22 E2 )Y 2 = 1
n0
n0
Il est alors possible de montrer que la biréfringence induite par
l’application d’un champ E2 est :
∆n12 = − n03r22 E2
où no et r22 sont respectivement l’indice de réfraction ordinaire et
le coefficient électro-optique à considérer.
Le modulateur se compose d’un cristal de LiNbO3 éléctrodé
suivant l’axe Y par évaporation d’or sur une épaisseur 100 nm.
Le cristal est fixé sur un support en téflon puis inséré dans le
corps du modulateur. Celui-ci est muni deux fiches SMA pour
l’arrivée des différentes tensions (alternatives et continues).
Tab. 1 : Principales caractéristiques du modulateur
Cristal
LiNbO3 congruent
Dimensions
X = Y = 3 mm
Z = 40 mm
Configuration
Le déphasage induit par le champ est :
Γ12 ( E2 ) = −
où L3 correspond à la longueur de propagation dans le cristal.
E2 peut s’exprimer en fonction de la tension appliquée (V2) et de
la distance entre les électrodes (d2) :
V
E2 = 2
d2
Par conséquent, la tension demi-onde s’exprime par :
Vπ =
transversale
Indices de réfraction (à λ = 632.8 nm)
n0 = 2.285, ne = 2.2
Coefficient électro-optique (B.F.)
Tension demi-onde Vπ (λ = 632.8 nm)
≈ 6,4 pm/V
≈ 310 V
Le modulateur électro-optique est associé à son alimentation de
commande, le générateur-amplificateur 1M-800 (Fig. 3).
Fig. 3 : Le générateur-amplificateur 1M-800
2π
L3 n03 r22 E2
λ
λ d2
2n03 r22 L3
Le montage expérimental (Fig. 1) possède une fonction de
transfert décrite par la relation :
T=
I 1
= [1 − sin (Γ12 − 2 β )]
I0 2
où Γ12 est le déphasage induit par le cristal et β l'angle de
l'analyseur (polariseur) situé avant le détecteur.
I0 et I sont respectivement les intensités en entrée et en sortie du
montage.
L’insertion de la lame quart d’onde avant l’analyseur assure une
relation linéaire de la fonction de transfert et de la compensation
directe (donc mesure éventuelle) du déphasage Γ12 par simple
rotation de l’analyseur.
Fig. 5 : Evolution de la tension mesurée en sortie du détecteur en
fonction de l’angle de l’analyseur.
Tab. 2 : Performances du générateur-amplificateur
140
Tension continue Vdc
120
Générateur de signal sinusoïdal interne
Tension alternative Vac (à 100 kHz)
Afficheurs
3 kHz – 1 MHz
0 – 300 Vpp
Vdc / Vac / Fréq.
Tension détection (mV)
0 à +400 V
100
80
60
40
20
0
-90
-45
0
45
Angle de l'analyseur (°)
Angle de rotation de l’analyseur (°)
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90
2
Travaux Pratiques : Effet Pockels et modulation électro-optique
Cette fonction de transfert peut également être parcourue pour
une position de l’analyseur fixée et par application d’une tension
continue Vdc au cristal (Fig. 6).
Fig. 8 : Représentation de la polarisation en sortie du modulateur
lorsque celui-ci est soumis à la tension demi-onde Vπ.
2
Tension détection (V)
6
1,5
1
Points expérimentaux
Symétrie / centre
20
320
40
5
Tension photodiode (mV)
2,5
0
340
7
Fig. 6 : Evolution de la tension mesurée en sortie du détecteur en
fonction de la tension continue appliquée au modulateur.
4
300
60
3
2
1
280
80
260
100
0
1
2
3
240
4
120
5
0,5
220
6
7
140
200
0
-400
-200
0
Tension Vdc (V)
200
400
A partir de la Fig. 6, il est possible de mesurer la tension demionde (Vπ) et d’en déduire, à partir des propriétés optogéométriques du matériau, le coefficient électro-optique r22 :
r22 ≈ 6.4 pm/V
La polarisation émergente du modulateur peut être analysée par
rotation du polariseur et représentée sur un diagramme en
coordonnées polaires (Fig. 7)
Fig. 7 : Représentation de la polarisation en sortie du modulateur
lorsque celui-ci n’est soumis à aucune tension.
180
160
L’application d’une tension alternative Vac au modulateur va
maintenant permettre de réaliser une modulation de biréfringence
induite par effet Pockels. Le déphasage engendré va provoquer
une modulation de polarisation en sortie du modulateur.
L’analyseur permet alors de transformer la modulation de
polarisation en modulation d’intensité.
Le photo-détecteur joue le rôle de démodulateur en transformant
la modulation d’intensité en modulation de tension.
La tension continue Vdc et la rotation de l’analyseur permettent
de parcourir la fonction de transfert du montage (Fig. 5,6,9) qui
possède des points de fonctionnement caractéristiques.
Fig. 9 : Point de fonctionnement de la fonction de transfert.
C
1,0
0,9
340
0
0,8
Points expérimentaux
Symétrie / centre
20
0,7
0,6
6
Tension photodiode (mV)
4
3
40
I/I0
320
5
0,4
300
60
0,3
0,2
2
1
280
80
4
5
E
A
0
180
90
270
θ (°)
260
100
2
3
0,1
0,0
0
1
D
B
0,5
240
120
220
Fig. 10 : Observation des signaux modulés en différents points de
la fonction de transfert
140
6
200
180
160
L’application d’une tension continue équivalente à Vπ entraîne
un changement de l’état de polarisation en sortie du modulateur.
La polarisation reste rectiligne mais son orientation est différente
de celle obtenue sans champ appliqué.
Lorsque le cristal de LiNbO3 est soumis à la tension demi-onde,
le déphasage induit provoque une rotation de la polarisation de
90° (Fig. 8).
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Travaux Pratiques : Effet Pockels et modulation électro-optique
TP M-1 :La modulation EO et son application à
l’inscription d’un signal radio sur une porteuse optique
Le descriptif et le contenu de ce TP ont déjà été abordés au tout
au long de ce document.
Pour une fréquence de modulation f = 1 kHz, appliquée au
modulateur (signal →2 sur Fig.10), on observe et analyse
l’amplitude, la fréquence et le déphasage du signal provenant du
photo-détecteur (signal →1 sur Fig.10) en fonction des points de
fonctionnement introduit précédemment.
Si la sortie de la photodiode est connectée au haut parleur, il est
également possible d’entendre les signaux à fréquence simple et
double.
La dernière partie de cette expérience consiste à moduler
l’intensité du faisceau Laser non plus à une fréquence constante
mais à l’aide du signal électrique issu d’une radio.
L’information est alors inscrite puis transportée par le faisceau
Laser jusqu’à l’analyseur qui permet d’obtenir une modulation
d’intensité du faisceau à la fréquence du signal radio.
La photodiode démodule le signal avant de le transmettre à un
haut-parleur.
Il est entre autre possible de vérifier que la qualité de la réception
dépend du point de fonctionnement choisi par rotation de
l’analyseur ou par application d’une tension continue.
Commentaires
Ce TP spectaculaire est très attractif lors de journées "portes
ouvertes" ou autres manifestations.
Ce produit a obtenu une médaille de Bronze dans la catégorie
"nouveaux produits pédagogiques pour l’enseignement
supérieur" lors du Salon EDUCATEC (Paris)
TP M-2 : Aspect Physique de la Modulation EO :
Mesure de coefficients EO
Lors de ce TP , l’étudiant commence par mettre en évidence la
biréfringence induite par effet électro-optique. Puis, il réalise un
montage à une onde qui lui permet de mesurer un coefficient
électro-optique. Pour l’aider, la théorie et la technique nécessaire
aux mesures sont rappelées.
Après avoir relevé la fonction de transfert du montage et étudié
ses différents points de fonctionnement caractéristiques,
l’étudiant est amené à mesurer un même coefficient électrooptique par trois méthodes différentes.
Il est également possible de réaliser des mesures en fonction de
la fréquence et d’aborder le phénomène de résonance.
TP M-3 : Etude des changements d’état de polarisation
induits par effet EO
Lors du TP, l’étudiant commence par mettre en évidence la
polarisation de la lumière (Loi de Malus). Par la suite, il doit
étudier et expliquer le rôle des lames à retard de phase (demionde et quart d’onde).
L’étudiant analyse entre autre les différents types de polarisation
(rectiligne, circulaire, elliptique) obtenue après une lame quart
d’onde.
Dans une deuxième partie, l’étudiant met en évidence la
biréfringence induite par effet électro-optique. Un montage à une
onde et une tension continue appliquée au modulateur sont
utilisés pour modifier l’état de polarisation du faisceau Laser. Le
changement de l’état de polarisation ne s’effectue plus à l’aide
d’un élément optique (lame quart d’onde) mais à partir d’une
variation d’indice de réfraction due à l’application d’une tension.
L’étudiant peut ainsi analyser différents types de polarisation et
commander électriquement l’état de polarisation en sortie du
modulateur par le biais d’une tension appliquée au modulateur.
Produits et services offerts
Les TP sont "clé en main" :
Outre tout le matériel nécessaire, Dida Concept vous fournit
également un cours, les textes de TP et les notices contenant les
résultats et commentaires (sous format papier et électronique
pour que vous puissiez les modifier ou les adapter à votre guise).
Une installation sur site et une formation des utilisateurs sont
également proposées.
Les TP sont innovants, évolutifs et modulaires :
- L’effet Pockels est abordé de manière originale et le modulateur
électro-optique, provenant d’un transfert de technologie, est
adapté à l’enseignement : pas de sur-qualité = coût abordable.
- A partir de la même base de matériels, il est possible de réaliser
plusieurs TP destinés à des niveaux d’étudiants différents et
abordant des thèmes variés : rentabilité de l’investissement.
- Possibilité de commander uniquement le modulateur et son
alimentation de commande : coûts réduits.
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Société au capital de 15 000 euros – R.C.S. METZ TI B 438 756 330 – SIRET : 438 756 330 00017 – Code APE : 332 B
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