Les cristaux liquides de nos jours

École Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne
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La technologie cristal liquide a connu un succès considérable au cours des années 70,
dans le domaine de l’affichage, puis dans les années 90, dans celui des écrans plats
(~100% des écrans de PC sont à cristal liquide). Cette technologie a largement pénétré de
nos jours de nombreux autres secteurs industriels et de la vie courante, notamment celui
très High-Tech des télécommunications, avec la réalisation de filtres accordables, de com-
mutateurs et de composants permettant de contrôler la polarisation de la lumière. De tels
composants sont présents aujourd’hui dans les équipements de ligne. Cette technologie
qui offre de nombreux effets optiques, sous faible champ électrique, s’est avérée très com-
pétitive dans ce secteur très exigeant, par son faible coût de fabrication, sa fiabilité et sa
compatibilité avec d’autres technologies (circuits intégrés, guides et fibres optiques). Les
cristaux liquides se sont aussi imposés dans d’autres domaines, plus proches du grand
public, tels que la médecine avec, par exemple, le thermomètre frontal souple, où ils sont
bien adaptés pour cartographier la température d’un corps ou d’objets divers (circuits élec-
troniques, points chauds, défauts etc.). Ils sont aussi utilisés pour la fabrication de tissus
ou d’encres qui changent de couleur avec la température. Plus près de nous encore, ils
sont à la base du cinéma 3D (voir le Futuroscope de Poitiers) et on les trouve dans la plu-
part des vidéos projecteurs, sans oublier leur rôle clef dans les dispositifs de protection
individuelle, tels que les systèmes d’anti-éblouissement (poste de soudure, sécurité auto-
mobile). On commence à voir des développements dans des domaines prometteurs tels
que les capteurs biologiques et la cosmétique (pigments à base de cristaux liquides).
L’ingénierie physico-chimique n’est pas en reste avec le développement des Kevlar (un
hybride cristal liquide polymère) à l’origine de multiples fibres légères et résistantes, utili-
sées dans l’aéronautique, l’automobile et le bâtiment. Leur qualité de mésophase, état
intermédiaire entre phase cristalline et liquide, est à l’origine des propriétés spectaculaires
qui en sont le principal atout. Les mystères qui régissent ces matériaux et en font leur
incroyable beauté sont loin d’être épuisés ainsi que l’éventail de leurs multiples applica-
tions.
Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye Juin 2006
Les cristaux liquides de nos jours
lettre brest 06 30/05/06 13:53 Page 1

Historique
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 problè-
mes de traitement optique du signal (valve optique, corrélateur optique). L’objectif était alors d’ex-
ploiter 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 maî-
triser les principales caractéristiques technologiques. Cette maîtrise a conduit à réaliser rapide-
ment 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 appro-
fondie à travers des fonctions plus élaborées comme des valves optiques à cristal liquide smecti-
ques 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 déve-
loppées : 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 nom-
bre 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.
ENST Bretagne Optique - Cristal liquide
15 ans d’ingénierie
cristal liquide
et d’innovation dans la
recherche en optique
à l’ENST Bretagne
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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 multi-
plex holographique commutable à base d’Holo-PDLC.
Parallèlement, l’ENST Bretagne a commencé à développer des structures composites plus com-
plexes (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 exploi-
ter 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 reconfigura-
bles à grande efficacité.
Ce souci permanent d’innovation a conduit au dépôt de 30 brevets, à l’encadrement d’une quin-
zaine 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 départe-
ment Optique de l’ENST Bretagne, l’attribution du SPIE Technical Achievement Award 2006.
ENST Bretagne Optique - Cristal liquide
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.
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◗ 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
◗ 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
ENST Bretagne Optique - Cristal liquide
Fiches techniques
des innovations et produits
développés
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(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 modu-
lant 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 com-
mutation rapide. Pour utiliser une valve à hautes cadences, il faut disposer d’un élément photo-
sensible rapide autre qu’un photoconducteur. L’ENST Bretagne a réalisé une valve rapide à pho-
todiode 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
Valve optique FLC à adressage
rapide (1992)
Coupe transversale de la valve rapide
Exemple d’une valve 2’’x2’’
◗Valve optique à adressage rapide
Innovation :
La valve comporte plusieurs innova-
tions : une structure nip-pin dissymétri-
que pour éviter la présence de compo-
sante continue, une optimisation de
l’épaisseur et du choix du maté-
riau (a-Si:H), des miroirs diélectri-
ques bloquants pour une meilleure iso-
lation de la couche photosensible en
phase de lecture.
Une valve optique avec une couche
photosensible en PVK(Poly-N-vinylcar-
bazole) pour une inscription aux lon-
gueurs 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.
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