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COMPOSANTS ET FONCTIONS POUR LE TRAITEMENT DU SIGNAL OPTIQUE
0,&526758&785$7,21'(60$7e5,$8;&5,67$8;/,48,'(6&20326,7(6
3$53+27232/<0e5,6$7,21$33/,&$7,21¬/$5e$/,6$7,21'()21&7,216
237,48(6
Bertrand CAILLAUD, Laurent DUPONT, Sébastien MASSENOT, Raymond CHEVALLIER,
Jean-Louis DE BOUGRENET DE LA TOCNAYE
Groupement d’Intérêt Scientifique FOTON
Département d’Optique, ENST Bretagne/GET, CNRS UMR 6082
[email protected]
,1752'8&7,21
L’utilisation de chaînes polymériques pour stabiliser du cristal liquide (robustesse, prévention
de la formation de défauts) ou générer des structures 2D ou 3D périodiques présente beaucoup
d’intérêts pour l’ingénierie de nouvelles fonctions optiques dont notamment les filtres accordables. La
prise en compte des aspects liés à la physique des matériaux et du processus de formation optique de
réseaux 2D ou 3D ouvre beaucoup de perspectives dans l’ingénierie des fonctions du type filtres ou
récepteurs accordables. D’une manière générale ceci concerne la stabilisation par des chaînes de
polymères, de composés cristaux liquides. Ces matériaux composites et leurs effets électro-optiques
sont étudiés en fonction du polymère utilisé et des caractéristiques de leur structuration: taille, forme
des gouttelettes de cristal liquide, connexité, motif d’insolation (2D-holographique, 3D-photonique).
De même on étudiera les cholestériques à large pas pour la réalisation de filtres accordables dans le
proche infrarouge. L’application d’un champ électrique transverse permet de redresser la structure
hélicoïdale et donc de modifier le pas de l’hélice, c’est à dire de modifier la longueur d’onde de Bragg
réfléchie.
,17e5$&7,216)$,%/(667$%,/,6$7,21'(60e623+$6(6&5,67$//,48,'(3$532/<0Ê5(
Ici le polymère est en faible concentration et son rôle consiste à stabiliser la structure. Le
mélange est constitué d’un photo-initiateur / monomère / cristal liquide. Une fois la phase voulue
stabilisée une photo-polymérisation forme le réseau de polymère. On obtient alors la structure PSLC
(Polymer Stabilised Liquid Crystal). Les cristaux liquides ferroélectriques sont caractérisés par une
structure en couche avec une inclinaison des molécules. La symétrie de cette phase autorise la
ferroélectricité (polarisation spontanée perpendiculaire au plan d'
inclinaison des molécules). Ils ont des
temps de réponses très rapides (10µs), cependant du fait de leur structure (ordre de position et
d'
orientation) ils présentent des défauts structurels qui génèrent des difficultés de mise en œuvre et des
dégradations des valeurs de contraste dans le temps. Le réseau polymère stabilise ici le cristal liquide
ferroélectrique dans le volume et les effets de surfaces deviennent négligeables ce qui réduit la densité
de défauts. Les taux intéressants de polymère sont compris entre 2 et 10% : un faible taux de ne
permet pas de faire disparaître les défauts et une concentration trop importante engendre une
démixtion entre le monomère et le cristal liquide conduisant à une structure totalement inhomogène.
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0pODQJH
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Leurs propriétés électro-optiques sont très sensibles à la concentration en polymère. Le mélange
à 5% est bistable alors que celui à 10% est monostable. Les deux courbes ci-dessus illustrent ce
phénomène: Suivant la concentration en polymère, ils peuvent avoir des réponses binaires ou
analogiques, ce qui leur confère une large gamme d’ applications (shutters, contrôleurs de polarisation
etc.).
,17(5$&7,216)257(6/(6+2/23'/&32/<0(5',63(56('/,48,'&5<67$/
(IILFDFLWpGHGLIIUDFWLRQ
Les holo-PDLC se différencient des PDLC par une structure stratifiée de domaines riches et
pauvres en cristal liquide. Cette stratification vient de la technique d'
exposition holographique, la
photo-polymérisation étant initiée par une figure d’ interférence. La photo-polymérisation dans les
zones d'
interférences constructives provoque un gradient de concentration de monomère qui engendre
un processus de diffusion de ce dernier des zones d'
interférences destructives vers celle d’ interférences
constructives. Simultanément le cristal contre-diffuse. De cette manière la figure d'
interférence est
reproduite dans le volume du matériau sous forme d'
une modulation de la concentration de gouttelettes
de cristal liquide, ce qui se traduit par une modulation de l'
indice de réfraction. Ce matériau
holographique a les avantages du photopolymère (auto-développant) et les propriétés du cristal
liquide, ce qui lui confère des possibilités de commutation. En choisissant convenablement les
matériaux pour que l'
indice de réfraction du polymère soit égal à l'
indice ordinaire du cristal liquide,
on peut effacer totalement l'
hologramme en appliquant un champ électrique. Les applications
potentielles sont : les réseaux de Bragg commutables (en transmission ou réflexion), les commutateurs
optiques, déflecteurs variables, miroirs holographiques chirpés reconfigurables utilisés en tant
qu’ élément actif dans égaliseur de spectre [2], les cristaux photoniques accordables.
Les caractéristiques d’ un holo-PDLC dépendent de la constitution du mélange pré-polymère, de
l’ assemblage des cellules contenant ce mélange et des conditions d’ enregistrement holographique. Des
travaux antérieurs ont permis d’ optimiser les mélanges et la fabrication des cellules et de calibrer le
montage d’ enregistrement [1]. De plus, certains phénomènes peuvent apparaître dans les holo-PDLC
(séparation de phase anisotrope, diffusion incohérente, séparation de phase incomplète). Une étude
confrontant simulations et d’ expériences a permis de déterminer la modulation d’ indice maximale
accessible et les paramètres qui gouvernent la cinétique de formation des hologrammes. Actuellement,
nous travaillons sur l'
étude du multiplexage de réseaux dans ce matériau. En effet, pour accéder à des
fonctions complexes, il peut être nécessaire d'
avoir à multiplexer différents hologrammes.
Contrairement au cas des matériaux holographiques classiques, comme les gélatines bichromatées, le
fait d'
enregistrer plusieurs hologrammes dans un matériau auto-développant (holo-PDLC,
photopolymère) nécessite quelques précautions. En effet, une fois qu'
un hologramme est enregistré
dans ce type de matériau, le monomère consommé durant cet enregistrement non seulement ne pourra
pas être réutilisé pour un autre enregistrement mais gênera la diffusion du monomère restant. Le
matériau subit une forme de passivation. Durant l'
enregistrement, une compétition apparaît entre la
formation des deux réseaux. Il est donc nécessaire d'
étudier finement la cinétique de formation de ces
réseaux pour optimiser l'
enregistrement d'
une
()*,+ -/.0 *,12. 354765*,8 3+ + 3:93&;<*,8=9,8 3&;?>@93:953-&A
structure complexe. De plus, la dynamique de
8 B&;/3/C-&AD93:9,0 E E8 CGF.0 *,1D47-+ .0 6+ 3A5B&;H
formation de chaque réseau est différente, elle
dépend de la période du réseau. On aura donc à
0,6
ajuster les puissances dans chaque faisceau et
les temps d'
enregistrement si l'
on veut obtenir
0,5
des efficacités de diffraction équivalentes pour
0,4
les deux réseaux. Nous avons réalisé un
Reseau 1
dispositif
expérimental
permettant
un
0,3
Reseau 2
enregistrement soit simultané soit séquentiel de
0,2
deux réseaux dans un matériau holo-PDLC.
Dans le cas simultané, les deux paires de
0,1
faisceaux qui interfèrent sont mutuellement
0
incohérentes pour éviter les réseaux parasites
0
50
100
150
200
250
provenant des termes croisés.
7HPSVV
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Deux faisceaux He-Ne permettent de mesurer en temps réel le degré de formation de chaque
réseau par l’ acquisition de l’ évolution des premiers ordres diffractés par les réseaux. Un exemple
d’ évolution de la formation est montré sur la figure ci dessus. Les deux réseaux ont des efficacités
similaires supérieures à 50%. Les efficacités augmentent rapidement au début puis se stabilisent
lorsque que tout les monomères ont été consommés. Les puissances des faisceaux d’ enregistrement
ont été ajustées de façon à ce que les deux réseaux se forment à la même vitesse. Nous n’ atteignons
pas de meilleures efficacités car nous sommes limités par la modulation d’ indice maximale que peut
atteindre le matériau (environ 0.02).
/(63+$6(6&+2/(67e5,48(667$%,/,6e(63$532/<0Ê5(
La phase cholestérique (CLC) est une phase nématique chirale avec une structure hélicoïdale
naturelle intrinsèque. Le pas de cette structure Λ dépend à la fois de la nature chimique du cristal
liquide et de la température. Cette structure permet d’ obtenir des réflexions sélectives en longueur
d’ onde (Bragg) mais également en polarisation très intéressantes en télécommunications.
89
5pIOH[LRQGH%UDJJGDQVXQHVWUXFWXUHFKROHVWpULTXHHWVWDELOLVDWLRQSDUXQSRO\PqUH
On peut figer le pas de l’ hélice par stabilisation par polymère et rendre cette structure insensible
à la température. L’ autre avantage de la stabilisation est de réduire les temps de réponse. On peut
obtenir l’ accordabilité en longueur d’ onde en modifiant le pas Λ (champ électrique transverse) ou
l’ indice moyen (champ électrique longitudinal). La réalisation cavité Fabry-Perrot et de VCSEL à
miroir de Bragg accordable est étudiée, ce dernier point est une alternative aux solutions étudiées en
collaboration avec l’ INSA sur les VCSEL à cavité externe contenant un électro-optique de type nanoPDLC.
&HV WUDYDX[ VRQW PHQpV HQ FROODERUDWLRQ DYHF OH &HPHV j 7RXORXVH O¶XQLYHUVLWp GH 6DLQW
(WLHQQHHWO¶XQLYHUVLWpGH%URZQj3URYLGHQFHDX[(WDWV8QLV
5e)e5(1&(6
[1] J-L.KAISER HW DO. « Chirped switchable reflection grating in holographic PDLC for wavelength
management and processing in optical communication systems », to appear in $SSOLHG 2SWLFV
[2] S.MASSENOT HW DO. « Study of the dynamic formation of transmission gratings recorded in
photopolymers and hologra-PDLCs », $SSOLHG2SWLFV9ROSS2FWREHU.
[3] H.FUJIKAKE HW DO. “Study of smectic layer structure of polymer stabilized ferroelectric liquid
crystal with gray scale memory”, (OHFWURQLFVDQG&RPLQ-DSDQ3DUW9RO1R
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