ENST Bretagne Optique
publicité
15 ans d’ingénierie cristal liquide et d’innovation dans la recherche en optique à l’ENST Bretagne Historique ENST Bretagne Optique - Cristal liquide La recherche dans le domaine de l’ingénierie cristal liquide à l’ENST Bretagne débute à la fin des années 80, avec l’application des matériaux FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) à différents problèmes de traitement optique du signal (valve optique, corrélateur optique). L’objectif était alors d’exploiter les temps de commutation rapides des phases smectiques pour réaliser des fonctions dynamiques rapidement reconfigurables. Cette première approche a permis aux chercheurs du département Optique de l’ENST Bretagne de se familiariser avec ces matériaux et de bien en maîtriser les principales caractéristiques technologiques. Cette maîtrise a conduit à réaliser rapidement des fonctions telles que des déflecteurs de faisceaux, des hologrammes numériques ou des filtres polarisants. Ces premiers résultats ont encouragé les chercheurs à étudier ces matériaux de façon plus approfondie à travers des fonctions plus élaborées comme des valves optiques à cristal liquide smectiques torsadés ou à étudier leur confinement dans des fibres optiques ou des guides planaires (e.g. réalisation d’un coupleur Mach-Zehnder à fibre). Les succès obtenus ont alors conduit à généraliser cette démarche en sélectionnant davantage les matériaux en fonction des contraintes technologiques de leurs supports et des propriétés optiques recherchées. Vers la fin des années 90, les études ont été étendues aux phases composites (polymère cristal liquide) du fait de leurs propriétés optiques intéressantes (diffuseur, modulation de phase isotrope) et de leur plus grande robustesse. Applications pour les télécommunications Les premières applications ont naturellement porté sur la conception d’une gamme de fonctions pour les télécommunications, que la société Optogone (essaimage de l’ENST Bretagne et de France Télécom) a exploité sur un plan industriel, à partir de 2001. Deux fonctions ont été développées : un égaliseur dynamique de gain (DGE) et de canal et un contrôleur de polarisation rapide à base de nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) pour la compensation de PMD (Polarisation Mode Dispersion). Les difficultés liées à la fabrication de fonctions à base de cristal liquide dans l’environnement très contraignant des télécommunications, telles que l’athermalisation (en développant de nouveaux mélanges), le coût de fabrication et la dépendance à la polarisation, ont conduit à un certain nombre d’innovations, comme par exemple la fabrication du premier DGE à base de PDLC et celle d’un contrôleur de polarisation rapide, parmi les plus performants du marché. 1 Nouveaux développements Après l’acquisition d’Optogone par MEMSCAP en décembre 2004, l’ENST Bretagne a choisi d’étendre les résultats de ses travaux de recherche à d’autres domaines d’application. Ce fut, tout d’abord, la réalisation de fonctions accordables bas-coût et la conception, du tout premier VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) accordable à base de nano-PDLC, puis du premier multiplex holographique commutable à base d’Holo-PDLC. Parallèlement, l’ENST Bretagne a commencé à développer des structures composites plus complexes (gel, réseau polymère) nématiques et smectiques dont un gel cristal liquide original pour la réalisation d’une nouvelle génération d’obturateurs pour casques de soudure. Ce gel dispose d’un état stable sécurisé avec des temps de commutation rapides permettant d’améliorer sensiblement l’ergonomie et la sécurité de l’opérateur. Une société est en cours de création (Lixys) pour exploiter cette innovation avec des perspectives de marché très attractives. Plus récemment enfin, l’ENST Bretagne s’est intéressée aux phases cholestériques pour tirer parti de leurs structures Bragg intrinsèques et concevoir des cristaux liquides photoniques reconfigurables à grande efficacité. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Ce souci permanent d’innovation a conduit au dépôt de 30 brevets, à l’encadrement d’une quinzaine de thèses et à la création de deux sociétés. L’ensemble de ces résultats place l’ENST Bretagne comme l’un des pôles de recherche de tout premier plan au monde, dans le domaine de l’ingénierie cristal liquide. Ils ont valu à Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye, chef du département Optique de l’ENST Bretagne, l’attribution du SPIE Technical Achievement Award 2006. J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, “Engineering liquid crystal for optimal uses in optical communication environments”, Survey paper in Liquid Crystal Journal, pp. 1-29, 2004. 2 Fiches techniques des innovations et produits développés ◗ Valve optique FLC à adressage rapide (1992) 4 ◗ Dispositif d’anti-éblouissement (1994) 5 ◗ Corrélateur optique pour la reconnaissance de panneaux de signalisation (1995) 6 ◗ Première valve optique à cristal liquide smectique torsadé (1997) 7 ◗ Coupleur Mach-Zehnder fibré à modulateur FLC (1998, brevet France Télécom) 8 ◗ Guide optique à cristal liquide smectique (1999) 9 ENST Bretagne Optique - Cristal liquide ◗ Commutateur spatial optique sélectif en longueur d’onde (2000) 10 ◗ Égaliseur Dynamique de Gain (DGE) à PDLC (2002) - OPTOGONE 11/12 ◗ Contrôleur de polarisation (PC) rapide à base de PSLC (2003) - OPTOGONE 13/14 ◗ Matériau PDLC à large gamme de température (-10, 70°C) (2003) - OPTOGONE 15 ◗ Premier VCSEL accordable utilisant un nano-PDLC (2004) 16 ◗ Premier multiplex holographique à base d’Holo-PDLC (2004) 17 ◗ Obturateur rapide à état sécurisé pour masque de soudure (2005) - LIXYS 18 ◗ PDLC pour filtre accordable à effet de plasmon de surface (2005) 19 ◗ Cristal liquide photonique à base de cholestérique (Brevet GET 2006) 20 3 Valve optique FLC à adressage rapide (1992) (P. Cambon, J.L. de Bougrenet, L. Dupont, ZY. Wu, F. Perennes, M. Killinger) Une valve optique est un composant optique permettant la conversion incohérente-cohérente, ou de longueurs d’onde par adressage optique. Elle est constituée d’un élément photosensible modulant un élément électro-optique, généralement du cristal liquide, modulateur de phase ou de phase anisotrope. L’intérêt d’utiliser un cristal liquide ferro-électrique (FLC) est lié à son temps de commutation rapide. Pour utiliser une valve à hautes cadences, il faut disposer d’un élément photosensible rapide autre qu’un photoconducteur. L’ENST Bretagne a réalisé une valve rapide à photodiode en silicium amorphe hydrogéné et SmC*. Des fréquences de l’ordre de 25kHz ont été mesurées pour des puissances optiques de 25µWcm-2 ; ce sont les meilleurs résultats obtenus jusqu’à présent. Aujourd’hui l’ENST Bretagne fournit, à la demande, de tels composants pour des applications de laboratoire. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Innovation : La valve comporte plusieurs innovations : une structure nip-pin dissymétrique pour éviter la présence de composante continue, une optimisation de l’épaisseur et du choix du matériau (a-Si:H), des miroirs diélectriques bloquants pour une meilleure isolation de la couche photosensible en phase de lecture. Une valve optique avec une couche photosensible en PVK(Poly-N-vinylcarbazole) pour une inscription aux longueurs d’onde télécom a été réalisée. Ref. L. Dupont, Z. Y. Wu, P. Cambon and J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Smectic A and C liquid crystal lightvalves", Revue de Physique III, Vol. 3, pp. 1381-1399, 1993. Coupe transversale de la valve rapide Exemple d’une valve 2’’x2’’ ◗ Valve optique à adressage rapide 4 Dispositif d’anti-éblouissement (1994) (ZY Wu, J.L. de Bougrenet, M. Guéna) le dispositif d’anti-éblouissement est composé d’un modulateur spatial à lame demi-onde disposée entre polariseur et analyseur croisés. Les pixels sont inscrits sur ITO (Indium Tin Oxyde) par photolithographie et gravure plasma. Une cellule photoconductrice a-Si:H est implantée en bord de pixel (a). Le second substrat est la contre-électrode en ITO. Le cristal liquide est un SmC* utilisé comme matrice de micro obturateurs (10x15µm) indépendants (c), optiquement adressables, et alimentés par des lignes de tension connectées indépendamment aux cellules a-Si:H. Quand le détecteur est dans l’obscurité, sa résistance est dix fois plus grande que celle du cristal liquide ; quand il est éclairé elle est dix fois plus faible. Si l’élément photosensible est suffisamment éclairé, une tension est appliquée au CL qui commute, bloquant ainsi la transmission dans l’analyseur et évitant l’éblouissement. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Innovation : Le traitement spatial différentiel de l’éblouissement évite une obturation totale du composant (b). Le composant intelligent évite l’éblouissement dans la zone surexposée sans empêcher la vision du reste de la scène. Ceci est obtenu notamment par la pixélisation du composant sous forme de microobturateurs à adressage optique. Composant bas-coût et simple, le prototype a été réalisé pour le compte de la société PSA (Peugeot-Citroën). a) Cellule élémentaire en coupe (1) (2) (3) b) Effet du dispositf d’anti-éblouissement sur une Cible (1) Cible avec une LED active (2) Cible avec Correction d’éblouissement (3) Cible LED éteinte c) Dispositif d’anti-éblouissant Pixels avec leurs photodétecteurs ◗ Dispositif anti-éblouissement Ref. M. Guéna, Z.Y. Wu, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "A 120x120 pixel anti-blooming array using optically addressed FLC cells", Optics Letters, Vol. 19, N°13, pp. 1001-1003, 1994. 5 Corrélateur optique pour la reconnaissance de panneaux de signalisation : (1995) (J.L. de Bougrenet, G. Keryer, P. Pellat-Finet, L. Guibert, Y. Petillot) Le corrélateur optique pour la reconnaissance de panneaux de signalisation a été réalisé dans le cadre du programme européen HICOPOS (Highly Integrated Optical Processor for On board System) - Esprit III n°70650, piloté par PSA. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide L’ENST Bretagne a réalisé le premier corrélateur joint, temps réel, embarqué sur véhicule automobile, à base de technologie FLC. L’application visée était la reconnaissance de panneaux de signalisation routière. Ce corrélateur, été embarqué sur Peugeot 605, a reconnu en temps réel des panneaux dans un contexte de conduite réel. Son exploitation commerciale s’est heurtée à des contraintes de coût difficiles à concilier avec la gamme actuelle de véhicules grand public. Une version compacte de ce corrélateur a été utilisée pour la reconnaissance d’empreintes digitales. Thomson-IDmatics et CRL(GB) ont exploité les retombées de ce travail. Corrélateur joint embarqué (300x150x100mm3) Image en sortie du détecteur de contours Innovation : Une intégration a été réalisée sur véhicule (robustesse mécanique, consommation) et un capteur intelligent effectuant la détection de contour a été développé pour cette application. Des techniques de filtrage optique permettant une invariance de la reconnaissance vis-à-vis de distorsions (bruit, changement d’échelle, rotation) ont également été développées à cette occasion. Plan d’entrée et plan de corrélation du corrélateur ◗ Corrélateur optique Ref. L. Guibert, G. Keryer, A. Servel, M. Attia, H. MacKenzie, P. Pellat-Finet, and J.L. de Bougrenet "On-boardable optical joint transform correlator for real-time road sign recognition", Optical Engineering. Vol. 34, N°1, pp. 135-143, 1995. 6 Première valve optique à cristal liquide smectique torsadé (1997) (L. Dupont, J.L. de Bougrenet, M. Guéna, L. Le Bourhis) Autre aspect d’ingénierie des modulateurs ou valves optiques : le compromis vitesse, niveaux de gris obtenu ici (à l’instar du nématique) en torsadant un SmC* large tilt. Une valve optique à cristal liquide smectique torsadé a été réalisée pour la société SFIM-ODS (imageur infrarouge rapide à niveaux de gris). Le problème principal était l’alignement et le contrôle de l’épaisseur (>5µm imposés par la longueur d’onde de lecture infra-rouge lointain). Il fallait en effet garantir une dynamique de modulation suffisante, sans pénalité en temps de réponse et éviter l’apparition de défauts liés à l’épaisseur. L’élément photoadressable était constitué d’un photoconducteur a-Si:H. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Alignement du SmC torsadé Prise enregistrée en positif Enregistrement d’une mire de référence à niveaux de gris Innovation : L’innovation réside dans le composant final unique (une dizaine de niveaux de gris adressables), la gestion des nonlinéarités de commande en tension pour obtenir une variation continue de niveaux de gris et la maîtrise de grandes épaisseurs de cellule pour un FLC. réponse optique en µs en fonction de l’éclairement en µW. Ref. M. Guéna, M. Le Gall, L. Dupont and, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Ferroelectric twisted liquid crystal structure", Ferroelectrics ,Vol. 213, pp. 45-52, 1998. ◗ Valve optique à cristal liquide smectique torsadé 7 Coupleur Mach-Zehnder fibré à modulateur FLC (1998, brevet France Télécom) (L. Dupont, J.L. de Bougrenet, M. Le Gall) Un commutateur interférométrique, deux entrées vers deux sorties, a été réalisé en collaboration avec France Télécom R&D (brevet FT). L’architecture est celle d’un interféromètre de MachZehnder (MZ) fibré, constitué de deux coupleurs à fibre 3dB et d’un déphaseur à cristal liquide FLC, pour assurer la fonction de commutation. En créant un déphasage relatif ΔΦ entre chacun des bras, de manière à créer une avance de phase π/2 d’un bras par rapport à l’autre, on sélectionne une des deux sorties. Le FLC à large angle de tilt permet d’obtenir de tels déphasages insensibles à la polarisation ce qui est requis dans ce contexte. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Innovation : L’architecture de commutateur combine deux technologies matures : celles des fibres optiques et celle des cristaux liquides. Le commutateur est compact et insensible à la polarisation. La prouesse technique tient au confinement et à l’alignement du cristal liquide dans la férule (polissage, dépôt des électrodes, des couches d’alignement). Une fibre à double cœur a été utilisée pour plus de compacité. Architecture du commutateur Mach-Zehnder fibré Cellule fibrée avec cristal liquide confiné entre deux férules ◗ Coupleur Mach-Zender fibré Ref. M. Le Gall, L. Dupont and J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Liquid crystal confined single mode fibre based devices: technology and potential applications", Ferroelectrics, Vol.246, pp 1133-1140, 2000. 8 Guide optique à cristal liquide smectique (1999) (L. Dupont, E. Gros) Une étude sur les guides optiques à base de cristaux liquides smectiques ferroélectriques a débuté en 97 pour France Telecom R&D. Ce travail a permis de valider le guidage et le bon confinement de la lumière dans la cellule à cristal liquide (matériau anisotrope). Il a également permis de tester différents effets quasi-optiques en mode guidé tels que la déflexion de faisceau par double réfraction (une déflexion d’une dizaine de degrés a été obtenue) la réflexion et la réfraction sur des dioptres. Les principales applications concernaient la commutation NxN et 1xN pour les systèmes de télécommunications optiques. Guide Déflexion du faisceau guidé +φ Déflexion du faisceau guidé -φ ENST Bretagne Optique - Cristal liquide ◗ Guide optique à cristal liquide Innovation : L’utilisation de la double réfraction en propagation guidée avec les cristaux liquides a constitué une première. La technologie standard des cellules à cristal liquide a été adaptée pour permettre l’injection de la lumière par la tranche et également l’obtention d’un faisceau collimaté dans le cœur du guide (réalisation de micro-lentilles d’anamorphose pour l’injection dans le guide). Lentille ◗ Effet de la collimation du faisceau dans le guide optique Ref. E. Gros and L. Dupont "Ferroelectric liquid crystal optical waveguide switches using double refraction effect", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 13, N°2, pp. 115-117 ,2002. 9 Commutateur spatial optique sélectif en longueur d’onde (2000) (B. Fracasso, J.L. de Bougrenet, K. Heggarty, P. Berthelé, C. Uche) L’ENST Bretagne, en collaboration avec Alcatel CIT et France Télécom R&D (contrat RNRT-CRISTO), a étudié et réalisé un dispositif d’aiguillage spatial de longueurs d’ondes pour les réseaux télécom à très haut débit. Le cœur du dispositif est un modulateur spatial de lumière bidimensionnel (MSL2D) SmC* en réflexion (adressage arrière par circuit VLSI), utilisé comme microdéflecteur de faisceau entre les voies d’une matrice de fibres optiques mono-modes. Trois points clef ont été abordés : l’adaptation d’un composant MSL2D existant pour un fonctionnement aux longueurs d’onde télécom, le dimensionnement et l’intégration du commutateur suivi de tests statiques et dynamiques. La figure (a) montre le composant MSL2D dont le déflecteur actif comporte 1280x1024 pixels au pas de 12µm. Le temps de commutation mesuré est de l’ordre de 100µs, pour une efficacité de déflexion de 20%. Le commutateur intégré (figure b) utilise une structure en silice choisie pour sa stabilité thermo-mécanique. Le système comporte une matrice de 32 fibres monomodes alignées et intégrées au laboratoire. Le rendement moyen de connexion de fibre à fibre est de l’ordre de 10%. Le point le plus important est la transparence du dispositif aux données à très haut débit (10 Gbit/s) véhiculées par les canaux optiques commutés (figure c). ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Innovation : L’innovation réside dans l’utilisation d’une technologie de déflexion bidimensionnelle par micro-modulateur diffractif insensible à la polarisation et fonctionnant en réflexion et à la longueur d’onde télécom ainsi que la mise en place d’algorithmes itératifs pour l’optimisation de l’efficacité de la connexion optique. (a) (b) (c) ◗ Commutateur spatial optique Ref. B. Fracasso, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, M. Razzak and C. Uche, "Design and performance of a versatile holographic liquid crystal wavelength selective switch", IEEE Journal of Lightwave Technology, pp. 2405-2411, Vol. 21, pp. 2405-2414, 2003. 10 Égaliseur Dynamique de Gain (DGE) à PDLC (2002) (M. Barge, D. Battarel, J.L de Bougrenet, P. Gautier, T. Loukina, R. Chevallier, L. Dupont) L’égalisateur dynamique de gain est un composant clef du réseau télécom. Il a donné lieu à diverses réalisations technologiques (MEMS, LC, ESBG etc.). La société Optogone a été la première à promouvoir et fabriquer une solution cristal liquide composite dans ce domaine. Cette solution comporte 3 innovations principales ayant un impact direct sur les performances, le coût et la robustesse. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide 1) Modulateur spatial de lumière (MSL) : Comparé aux solutions CL pures, le PDLC est une technologie plus robuste et plus facile à mettre en oeuvre (pas besoin de couches d’alignement). La morphologie des gouttelettes a été optimisée pour assurer une bonne dynamique d’atténuation et une faible PDL. Les tailles des pixels et des d’inter-pixels ont été optimisées en géométrie et en quantité pour garantir des pentes douces. 2) Principe de l’architecture optique et innovation d’assemblage: La solution retenue est indépendante de la polarisation grâce à une combinaison originale des propriétés de diffusion du PDLC et de l’utilisation d’un prisme dépolarisant. De ce fait, le nombre de blocs optiques indépendants est réduit. Cette architecture a permis une technique originale d’assemblage assurant de faibles pertes d’insertion (une des meilleures sur le marché : 4,2dB circulateur compris). 3) Innovation d’assemblage La structure opto-mécanique est en silice synthétique pour avoir un faible coefficient de dilatation thermique. L’assemblage de la ceinture nécessite un outillage de précision ; celui des coins et du réseau se fait par contre sans élément actif. Les composants optiques sont ensuite scellés lors du réglage du DGE. Le système optique est étanchéifié par deux plaques de verre. Cette technique réduit les étapes de fabrication et confère une meilleure immunité aux variations de température. Cœur optique du DGE avec sa ceinture d’assemblage Modulateur-PDLC monté avec coin optique (wedge) pour limiter les effets étalon Montage du modulateur PDLC entre deux wedges et miroir arrière ◗ Égaliseur dynamique de gain à PDLC Caractéristiques du réseau diffractif : On utilise un réseau, de volume en transmission à faible dispersion (300l/mm) enregistré sur gélatine bichromatée hermétiquement scellée entre 2 lames de verre. Les paramètres physiques sont optimisés pour obtenir une haute efficacité de diffraction (proche de 90% pour le TM et TE) et une bonne planéité spectrale (WDL< 0.1dB) sur les 40nm de la bande C. 11 Innovation : L’athermalisation sur une large gamme du réseau, combinée à un correcteur cylindrique, compense l’astigmatisme des miroirs sphériques hors-axe. Pour optimiser l’efficacité de couplage, le correcteur est scellé au réseau, l’axe cylindrique parallèle aux lignes du réseau. Système sans diversité de polarisation combinant un modulateur spatial à PDLC et un prisme dépolarisant . ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Pertes d’Insertion Gamme de Dynamique Résolution Spectrale Pente d’atténuation: Précision PDL RL Puissance optique max. Temps de réponse Taille (optique) mm: ◗ Vue du DGE d’Optogone et de son électronique de commande dans sa version standard Standard : Compact : 4.2dB 4dB 10-15dB 8dB 0.7nm 2nm 4dB/nm 2dB/nm +/-0.1dB +/-0.5dB 0.35dB (pire cas) 0.3dB (-40dB entre entrée et sortie) 23dBm@1530nm + 15dBm@980nm (pompe résiduelle) 10ms w160xL114xh26 w22xL42xh14 ◗ caractéristiques DGE Prix spécial Anvar 2001, prix de l’innovation Capital IT 2002 et Cambridge Entrepeneurship 2002 Ref. M. Barge, D. Battarel, and J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, “A polymer dispersed liquid crystal-based dynamic gain equalizer” IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol.23 , pp. 25312542, 2005. 12 Contrôleur de polarisation (PC) rapide à base de PSLC (2003) (Y. Defosse, P. Gautier, J.L. de Bougrenet, L. Dupont, T. Sansoni) Le contrôleur de polarisation est constitué de plusieurs lames à axes tournants, à retards fixes ou variables. Différents matériaux à fort coefficient électro-optique ont été utilisés pour fabriquer les lames constituant un PC. La société Optogone a été la première à proposer et démontrer l’utilisation d’un gel polymère CL pour fabriquer les lames de phase à axe tournant, avec de nombreux avantages tels que les temps de réponse rapides, la robustesse, la compacité et le coût. Principe optique et assemblage : Notre PC comprend deux lames à cristal liquide (demi-onde ou lame à retard variable) à orientation de l’axe neutre pilotée par un champ électrique rotatif parallèle à la cellule CL. Ce champ électrique tournant est généré par une structure d’électrodes en étoile. La dimension des électrodes est comprise entre 5 et 15µm permettant la génération de champs importants uniformes avec une grande longueur de pénétration dans le matériau. Du fait de la faible taille de la zone active (30µm) la lumière est focalisée au centre des électrodes. Cette focalisation est obtenue au moyen de fibres microlentillées améliorant la compacité du PC. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Innovation : La combinaison d’électrodes épaisses étoilées avec un gel cristal liquide nématique et polymère assure une distribution uniforme du champ dans le matériau. Elle évite l’apparition de régimes de flots rendant la cellule inopérante pour certaines valeurs de tension, limitant par là-même la PDL. Un autre avantage réside dans la réduction notable des temps de commutation du CL évitant les mouvements hydrodynamiques. ◗ Électrodes épaisses en étoile générant un champ rotatif: les tensions appliquées Vi suivent la loi Vi=V cos(2πi/n +φ) où V est constant, i l’indice et n le nombre d’électrodes (8 dans cet exemple). 13 Micro-positionnement Collage fibres micro-lentillées sur les lames Micro-positionnement relatif des 2 lames Collage ENST Bretagne Optique - Cristal liquide ◗ micro-positionnement relatif + collage des fibres micro-lentillées sur les lames Pertes d’insertion : Biréfringence lames : PDL lames : Temps de réponse : Dimension (optique) mm : 1.5 dB – 2 dB jusqu’à la demi-onde 0.15dB – 0.2 dB 200 µs – 300 µs (5°/10µs) w20xL20xh25. ◗ Caractéristiques PC Prix spécial Anvar 2001, prix de l’innovation Capital IT 2002 et Cambridge Entrepeneurship 2002 Réf. Y. Defosse, P. Gautier, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, A. Guenot, « Stabilized liquid crystal rotatable fractional wave-plates stack for fast polarisation analysis and control », Proc. OFC’04, Los Angeles, 2004. 14 Matériau PDLC à large gamme de température (-10, 70°C) (2003) (P. Gautier, J.L. de Bougrenet) ENST Bretagne Optique - Cristal liquide La dépendance en température des propriétés cristal liquide est une limitation majeure pour beaucoup d’applications. La biréfringence chute près de la température de transition de la phase nématique isotrope. Pour obtenir une large gamme de températures avec des PDLC nous avons développé et breveté un mélange de composés CL cyanobiphenyl et isothiocyanate, offrant un composite avec des températures de transition en phase nématique isotrope autour de 160°C et de cristallisation autour de -10°C. La figure montre une comparaison entre 2 PDLC : le premier est un mélange commercial avec une température de phase nématique isotrope de 87°C (TL205 de Merck) et le second est réalisé à partir du mélange breveté par la société Optogone. Innovation : ◗ Dynamique taux d’extinction vs température pour 2 PDLC utilisant différents CL Althermalisation pour le PDLC B. La dynamique entre l’état diffusant et l’état transparent est pratiquement constante sur toute la gamme de température (-10° à 70°C). Prix spécial Anvar 2001, prix de l’innovation Capital IT 2002 et Cambridge Entrepeneurship 2002 Réf. P. Gautier, J.L de Bougrenet de la Tocnaye, A. Guenot, and E. Salaun, «Engineering liquid crystal for uses in optical communication systems, a key issue : widening the operating temperature range” Proc. XVth conference on Liquid crystal, Warszawa, Poland, 2003. 15 Premier VCSEL accordable utilisant un nano-PDLC (2004) (J.L. de Bougrenet, L. Dupont, V. Verbrugge) ENST Bretagne Optique - Cristal liquide L’ENST Bretagne et l’INSA de Rennes ont réalisé le premier Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) accordable non-mécaniquement, dans la bande C. Ceci a été possible grâce à l’optimisation d’une structure à puits quantiques InGaAs couplée à une couche de 6µm de nano-PDLC utilisé comme modulateur d’indice. La figure b donne la gamme d’accord (autour de 10nm) en fonction de la tension appliquée. L’excellent fonctionnement mono-mode sur cette gamme est observable. Un autre argument décisif, comparé aux solutions mécaniques (type MEMS) est le temps d’accord. Moins de 30µs sont nécessaires pour couvrir la plage spectrale complète, rendant ce composant bien adapté aux besoins du réseau d’accès. Sa robustesse et son faible coût sont d’autres atouts. La précision d’accord est inférieure à 2,5GHz (soit une précision en tension du 10e de Volt). L’amplitude des tensions est la limitation principale à une extension de la gamme spectrale.100 Volts sont nécessaires pour atteindre 15nm (20nm pourraient être obtenus sous 150 Volts). Des recherches spécifiques sur les matériaux sont actuellement menées afin de limiter les effets de cette contrainte. a) Coupe du VCSEL à mano-PDLC Innovation : Premier nano-PDLC VCSEL au monde, il combine robustesse, compacité, bas coût et temps d’accord rapides comparés aux VCSEL-MEMS. On peut également noter le bon fonctionnement mono-mode du VCSEL accordable. b) Transposition spectrale en fonction de la tension ◗ VCSEL accordable Réf. C. Levallois, B. Caillaud, J-L. de Bougrenet de la Tocnaye, L. Dupont, A. Lecorre, H. Folliot, and S. Loualiche, “Nano-PDLC as phase modulator for tunable VCSEL @ 1.55µm”, to appear Applied Optics, 2006. 16 Premier multiplex holographique à base d’Holo-PDLC (2004) (R. Chevallier, J.L. de Bougrenet, J.L. Kaiser, S. Massenot) Le composite polymère/cristal liquide est utilisé pour l’enregistrement holographique (Holo-PDLC). Il est caractérisé par une structure constituée de domaines riches et pauvres en cristal liquide. Cette stratification est obtenue par photo-polymérisation du mélange mono-mère/cristal liquide, par une figure d’interférences. La différence d’indice entre ces domaines est variable en fonction de la tension appliquée. Il en résulte que les hologrammes sont effaçables par une tension de commande. Nous avons contribué à la compréhension et la modélisation du processus de formation d’un réseau de phase lors de l’enregistrement et la caractérisation de ses propriétés optiques, incluant la sélectivité en polarisation. D’un point de vue applicatif nous avons réalisé un miroir holographique à réflectivité variable. Principe d’un Holo-PDLC commutable Enregistrement du multiplex ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Innovation : A notre connaissance il s’agit du premier multiplex spatial d’hologrammes commutables réalisé dans ce matériau. Procédé d’enregistrement optimal tenant compte de la compétition de différents effets, il a permis la réalisation d’un miroir holographique à réflectivité variable comportant un réseau « chirpé » pour compenser la dépendance chromatique. Sélection des réseaux par la tension ◗ Multiplex holographique Réf. S. Massenot, J.-L. Kaiser, M. Camacho Perez, R. Chevallier and J.-L. de Bougrenet de la Tocnaye, ‘Multiplexed holographic transmission gratings recorded in holographic polymer dispersed liquid crystals: static and dynamic studies”, Applied Optics, Vol. 44, N°25, pp. 5489-5497, 2005. 17 Obturateur rapide à état sécurisé pour masque de soudure (2005) (P. Gautier, J.L. de Bougrenet, L. Dupont, B. Caillaud) Le domaine de la soudure est un secteur clé de l’assemblage et de la construction mécanique. L’équipement d’un poste de soudure comporte un système de protection individuelle qui permet d’éviter l’éblouissement et les problèmes de santé induits (kérato-conjonctivites, érythèmes, lésions rétiniennes, cataractes etc.) La protection des soudeurs, au moyen de filtres, est indispensable. Ces filtres absorbent toutefois une quantité notable du rayonnement diminuant la vision de la tâche à effectuer et donc la qualité et le rendement du travail réalisé. Les obturateurs à base de cristal liquide permettant une bonne obturation (>40dB) à l’amorçage de l’arc sont couramment utilisés, évitant au soudeur de relever fréquemment son casque. Toutefois, ils ne permettent que des opérations assez rudimentaires du fait de leurs temps de réponse trop lents (qqs 10ms) pour autoriser des séquences d’obturation complexes compatibles avec un fonctionnement optimal de l’arc. Taille : 105mmx55mm Protection UV : Niveau DIN 15 Protection IR : Niveau DIN 14 Transmission état activé : Niveau DIN 9-13 Transmission non activé : Niveau DIN 4 Temps de commutation (voir figure ci-contre) ◗ Caractéristiques obturateurs Lixys Obturateur et son électronique dans sa cassette ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Innovation : La principale avancée est un système de protection qui combine sécurité de temps d’obturation rapides et confort de vision. La rapidité est obtenue par un composite cristal liquide antiferroélectrique associé à un réseau de polymère. Une concentration judicieuse assure homogénéité sur une grande surface sans défaut, avec un état stable physique. Des temps de réponse (et de relaxation) <400µs permettent de synchroniser le filtre aux pics d’intensité de courant des régimes MIG et TIG des arcs de soudure. Ce concept original assurant un confort inégalé n’a aucun équivalent sur le marché actuel de la protection du soudeur. Commutation obturateur Lixys Graduation : 2ms par division. En bleu tension de commande, en rouge réponse optique. ◗ Obturateur pour casque de soudure Prix de la Fondation Louis Leprince Ringuet pour l’innovation. Réf. B. Caillaud, L. Dupont, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, P. Gautier, « Polymer stabilized FLC shutter exhibiting stabilized safe blocking state for welding filter applications », to appear in Ferroelectrics, 2006. 18 PDLC pour filtre accordable à effet de plasmon de surface (2005) (R. Chevallier, S. Massenot) Les anomalies (de résonance) présentées par certains réseaux de diffraction (une faible variation de la longueur d’onde provoque une variation brutale de l’efficacité de diffraction) sont utilisées pour réaliser des filtres accordables simples et bas coût . On exploite la résonance de plasmon de surface d’un réseau métallique (figure a) recouvert par un diélectrique présentant des propriétés d’accordabilité (ici le nano-PDLC). L’excitation d’une onde de surface de plasmon se traduit par une brusque variation de la réflectivité de la couche métallique à la longueur d’onde incidente. Le nano-PDLC produit une modulation de l’indice isotrope qui permet de déplacer la condition d’excitation de la résonance (figure b). Un premier filtre accordable a été réalisé selon ce principe (réseau or recouvert d’une couche nano-PDLC modulable par application d’un champ électrique). Réseau résine recouverte d’or au pas de 0,7 µm recouvert de nano-PDLC scellé par une contre électrode en ITO a) Filtre accordable à plasmon de surface ENST Bretagne Optique - Cristal liquide b) Transposition longueur d’onde de résonance par tension appliquée au nano-PDLC ◗ PDLC pour filtre à effet de plasmon de surface Innovation : Il s’agit de la première réalisation de ce type en nano-PDLC. Un déplacement de la résonance de 20nm a été obtenu et des améliorations sont en cours pour élargir la plage d’accord et améliorer la sélectivité du filtre. Réf. S. Massenot, “Étude modélisation et réalisation de composants diffractants: contribution à l’enregistrement holographique de filtres résonnants”, Thèse UBS-ENST Bretagne, 3 février 2006 19 Cristal liquide photonique à base de cholestérique (brevet GET 2006) (J.L. de Bougrenet, A. Denisov ) Il s’agit de créer des cristaux liquides photoniques 2D, 3D en exploitant la structure Bragg (figure c) naturelle du cholestérique planaire. On vient ici disloquer localement les hélices pour créer une structure périodique diffractante ayant les propriétés d’un réseau mince perpendiculaire au Bragg (figure b). La résonance des ordres diffractés du réseau mince avec le Bragg (qui filtre les ordres multiples du réseau mince) permet d’optimiser l’efficacité de diffraction et améliorer la sélectivité spectrale (figure a) de la structure. L’accordabilité est obtenue en modulant à la fois ou séparément le pas du réseau mince et le pas du Bragg. Ceci s’obtient par une modulation du champ électrique appliqué soit verticalement ou transversalement par un réseau d’électrodes ajustées selon ces deux configurations. Ceci permet d’exploiter les deux régimes de réflexion du CLC (premier et deuxième ordres) qui ont des modes propres et des sélectivités spectrales différentes. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide a) Principe du réseau résonant 2D Innovation : L’innovation réside dans la réalisation d’une structure cristal photonique à partir d’un CLC, exploitant la qualité des Bragg CLC et la large anisotropie de modulation entre les deux réseaux (proche de 0,2) sous faibles tensions (quelques dizaines de Volt). La reconfigurabilité est un argument clef pour de telles structures. Il s’agit, de plus, d’un composant très bas coût (comparé aux semi-conducteurs) dont la taille du pitch est adaptée à la gamme spectrale. Il est possible de générer des réseaux photoniques 3D suivant ce principe. b) CL photonique à CLC c) Efficacité Bragg-cholestérique en fonction du nombre de couches ◗ Cristal liquide photonique à base de cholestérique Réf. J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, A. Denisov “Cholesterique photonic liquid crystal” (Brevet GET 2006) 20 Biographie de Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye, 51 ans, docteur ès science physique, licencié ès lettres, est professeur au GET-ENST Bretagne et chef du département d’Optique (UMR CNRS Foton 6082). Spécialiste des cristaux liquides et de leurs applications aux télécommunications et au traitement optique de l’information, il est lauréat de la Fondation Alexander von Humboldt (1985), Fellow de la Société Américaine d’Optique (2005), Churchill College Fellow (1998) et visiting professor à l’université de Cambridge. ENST Bretagne Optique - Cristal liquide Président fondateur et Directeur général d’Optogone* (essaimage de France Télécom et du Groupe des Écoles des Télécommunications), entreprise spécialisée dans le développement de fonctions passives pour le réseau optique, il est lauréat du prix spécial Anvar 2001 pour l’innovation et le transfert technologique, lauréat du prix de l’innovation Capital IT 2002 et de Cambridge Entrepeneurship 2002, lauréat du Prix SPIE Technical Achievement Award 2006. Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye est également : ◗ Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye reçoit le SPIE Technical Achievement Award 2006 des mains dePaul McManamon, président du SPIE. - président du Technical Advisory Board du Groupe Memscap depuis 2004 ; - co-fondateur de la société Lixys (2006), spécialisée dans la protection des masques de soudure à base de cristal liquide ; - président fondateur de la plate-forme technologique d’évaluation et de recherche sur les fonctions dynamiques optoélectroniques (PERDYN) ; - Membre du comité exécutif du IEClub (Investisseur-Entrepreneur). * jusqu’à son rachat par Memscap 21
