Conception optique et hyperfréquence d`un modulateur électro

UNIVERSITÉ DE NANTES
UFR SCIENCES ET TECHNIQUES
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ÉCOLE DOCTORALE STIM
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION ET DE MATHÉMATIQUES
Année 2009
Conception optique et hyperfréquence d'un modulateur
électro-optique sur polymère : optimisation de
transitions ultra-large bande pour l'électrode de
commande
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THÈSE DE DOCTORAT
Discipline : Physique
Spécialité : Électronique et Génie électrique
Présentée et soutenue publiquement par
Mohammed EL GIBARI
Le 22 Octobre 2009 à l’université de Nantes, devant le jury ci-dessous
Président
Rapporteurs
Examinateurs
Invité
Directeur de thèse
Encadrant
Encadrant
Serge VERDEYME Professeur, XLIM, Université de Limoges
Didier DECOSTER Professeur, IEMN, Université de Lille 1
Catherine ALGANI Professeur, ESYCOM, CNAM de Paris
Jean CHAZELAS Directeur des coopérations scientifiques à Thales Division Aéronautique
Henri PORTE Directeur de recherche au CNRS et PDG de Photline Technologies
Dominique BOSC Ingénieur de recherche – HDR, FOTON, Université de Rennes 1
HongWu LI Professeur, IREENA, Université de Nantes
Dominique AVERTY Maître de conférences, IREENA, Université de Nantes
Cyril LUPI Maître de conférences, IREENA, Université de Nantes
N° ED : 503-074
N° attribué par la bibliothèque

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Remerciements
Le travail de cette thèse a été réalisé au sein de l’équipe photonique et communication
du laboratoire IREENA, je tiens donc à remercier chaleureusement toute l’équipe ainsi que la
direction du laboratoire de m’avoir accueilli dans les meilleures conditions possibles pour
effectuer cette thèse.
Je souhaite remercier M. Didier Decoster, Professeur à l’IEMN de l’Université de
Lille 1 et Mme Catherine Algani, Professeur à l’ESYCOM au CNAM de Paris pour avoir
accepté d’être rapporteur de ce travail ainsi que M. Serge Verdeyme, Professeur à l’XLIM de
l’Université de Limoges qui m’a fait l’honneur de présider le jury de cette thèse. Je remercie
au même titre les autres membres du jury M. Dominique Bosc, Ingénieur de recherche et
HDR au laboratoire FOTON de l’Université de Rennes 1, M. Jean Chazelas, Directeur des
coopérations scientifiques à Thales Division Aéronautique et M. Henri Porte, Directeur de
recherche au CNRS et PDG de Photline Technologies. L’intérêt qu’ils ont porté à ce travail
représente pour moi un grand honneur.
Je n’aurais évidemment pas pu mener à bien ce projet de thèse sans mon directeur de
thèse et mes encadrants. Je remercie donc M. HongWu Li pour m’avoir accordé sa confiance,
pour son accueil et pour sa disponibilité, je tiens donc à lui exprimer tous mes remerciements.
Bien sûr, je ne saurais oublier d’avouer toute ma reconnaissance à mes encadrants de thèse M.
Dominique Averty et M. Cyril Lupi. Merci à Dominique pour ta disponibilité permanente et
particulièrement ton courage pour aller affronter des problèmes en hyperfréquence et chercher
à les résoudre en tant que spécialiste matériau. À Cyril, je te dis merci de m’avoir appris la
rigueur et la démarche scientifique indispensables pour mener à bien des projets de recherche.
Tes remarques et critiques, plus particulièrement pendant la période de rédaction, me seront
très utiles pour le futur. Je remercie également M. Serge Toutain d’avoir accepté de nous
aider, merci Serge pour tous les échanges et les conseils précieux que vous avez pu nous
donner durant ces trois années. Je vous remercie tous pour l’ensemble des remarques
pertinentes et des discussions qui ont contribué à l’enrichissement scientifique de ce
manuscrit.
Je tiens à remercier M. Yann Mahe de m’avoir initié à l’utilisation de HFSS, M. Marc
Brunet pour les réalisations des transitions sur substrats épais et M. Nicolas Barreau pour le
dépôt de l’aluminium sur wafers en silicium.

~ 2 ~
Je remercie l’ensemble du département de physique, le personnel administratif, les
enseignants-chercheurs et en particulier M. Christian Boisrobert et M. Dominique Leduc pour
toutes les discussions scientifiques ou autres que nous avons souvent échangées autour d’un
café.
Je voudrais également remercier Chantal Thébaud et Sylvie Maisonneuve pour leur
gentillesse et leur aide concernant les démarches administratives.
Je ne saurais oublier de dire un grand merci à Virginie pour m’avoir supporté pendant
ces trois années de thèse et plus particulièrement d’avoir accepté que l’on partage le même
bureau. Je te remercie pour ta patience et pour la contribution que tu as apportée à cette thèse
(Le code en C, les figures….). Je n’oublierai pas qu’il faut toujours penser à mettre la
monnaie dans un distributeur si on veut éviter l’alarme.
Une pensée particulière aux thésards des équipes « Photonique et Communications »
et « Matériaux fonctionnels » : Kenny et Elsy ainsi aux deux mécaniciens Pierre-Antoine et
Yann à qui je souhaite bon courage pour la fin de leur thèse.
Pour donner du piment à ces remerciements, je terminerai en ayant une pensée
particulière vers les personnes qui me sont chères. Je commence bien évidemment par mes
parents Abedellah et Safia, je leur dis merci du fond du cœur pour tout ce qu’ils ont pu
m’apporter, je les remercie pour les sacrifices qu’ils ont fait pour que je puisse étudier sans
avoir à me soucier de quoi que ce soit. Ensuite, je remercie celle qui a contribué d’une
manière très directe à l’aboutissement de cette thèse, celle qui n’a pas cessé de m’encourager
et me donner la force pour continuer ; je te dis un gros merci Alexandra (Sara) pour tout ce
que tu m’as donné et je suis certain que tu continueras à tout faire pour le bien de notre
couple. Je remercie également mon fils Bilal d’avoir été calme et gentil pendant toute la
période de la rédaction, enfin peut être !!! C’est Alexandra qui s’est occupé de Bilal, j’avoue.
De même je tiens à dire un gros merci à mes beaux parents Gilles et Marie Elisabeth (Babette)
pour leur soutien et leur aide, sachez que je suis fier de vous avoir et j’en suis tout à fait
reconnaissant. Je remercie mes frères, mes sœurs et tous mes amis, Abdel, Reda… qui m’ont
toujours encouragé. Une pensée particulière à ma grande mère Rahma et à ma belle grand
mère (Christiane) à qui je dis merci pour le soutien, les encouragements et les discussions que
nous avons pu échanger. Enfin, je pense à ma grand-mère qui nous a quittés pendant ma
thèse, c’est à toi, Fatna que je la dédie.

~ 3 ~
Table des matières
Introduction générale .................................................................................................................. 6
1. Modulation de la lumière .............................................................................................................13
1.1. Introduction ..........................................................................................................................13
1.2. Modes de modulation ...........................................................................................................13
1.2.1. Modulation directe .......................................................................................................... 14
1.2.2. Modulation externe ......................................................................................................... 15
1.3. Guides d’ondes optiques .......................................................................................................16
1.3.1. Guides d’ondes optiques plans ........................................................................................ 16
1.3.1.1. Mode de polarisation TE .......................................................................................... 19
1.3.1.2. Equation de dispersion et modes guidés ................................................................... 20
1.3.1.3. Indice effectif et constante de propagation ............................................................... 21
1.3.1.4. Relation entre l’ordre des modes guidés et les paramètres opto-géométriques ........ 22
1.3.1.5. Onde évanescente et taux de confinement ................................................................ 22
1.3.1.6. Mode de polarisation TM ......................................................................................... 24
1.3.2. Guides d’ondes à largeur limitée .................................................................................... 25
1.4. Effet électro-optique .............................................................................................................25
1.4.1. Effets optiques non linéaires ........................................................................................... 25
1.4.2. Effet électro-optique (Pockels) ....................................................................................... 28
1.4.2.1. Ellipsoïde des indices ............................................................................................... 28
1.4.2.2. Tenseur électro-optique ............................................................................................ 29
1.4.2.3. Orientation optimum pour le signal électrique et la polarisation de la lumière ........ 31
1.5. Modulateurs à commande électrique ....................................................................................32
1.5.1. Modulateurs à électro-absorption .................................................................................... 32
1.5.2. Modulateurs électro-optiques .......................................................................................... 33
1.5.2.1. Modulateur de phase ................................................................................................ 33
1.5.2.2. Modulateur d’intensité de type Mach-Zehnder ........................................................ 35
1.5.3. Bande passante et adaptation de phase entre ondes électrique et optique ....................... 37
1.6. Matériaux à effet électro-optique ..........................................................................................41
1.6.1. Matériaux semi-conducteurs ........................................................................................... 41
1.6.2. Matériaux inorganiques : LiNbO3 .................................................................................. 42