EP1456712A2 - Dispositif de controle de la polarisation d'un signal vehicule sous la forme d'un faisceau lumineux, et application correspondante - Google Patents

Dispositif de controle de la polarisation d'un signal vehicule sous la forme d'un faisceau lumineux, et application correspondante

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Publication number
EP1456712A2
EP1456712A2 EP02804941A EP02804941A EP1456712A2 EP 1456712 A2 EP1456712 A2 EP 1456712A2 EP 02804941 A EP02804941 A EP 02804941A EP 02804941 A EP02804941 A EP 02804941A EP 1456712 A2 EP1456712 A2 EP 1456712A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric field
cell
electrodes
applying
polarization
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02804941A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Louis De Bougrenet De La Tocnaye
Laurent Dupont
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Optogone
Optogone SA
Original Assignee
Optogone
Optogone SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Optogone, Optogone SA filed Critical Optogone
Publication of EP1456712A2 publication Critical patent/EP1456712A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0136—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  for the control of polarisation, e.g. state of polarisation [SOP] control, polarisation scrambling, TE-TM mode conversion or separation

Definitions

  • the field of the invention is that of the transmission of signals by optical fibers.
  • the invention relates to a device for controlling the polarization of a signal conveyed, by optical fiber, in the form of a light beam.
  • An ideal polarization controller is a birefringent plate which can control both the orientation of the own axes and the phase shift, and which also has endless control.
  • Such a polarization controller applies in particular, but not exclusively, within a compensation system for the polarization modal dispersion.
  • a compensation system comprising a polarization controller, a polarization maintaining fiber and means for measuring the degree of polarization on "polarization maintaining fiber
  • the optical transmission fiber 1 is connected to the input of the polarization controller 2, and the output of the latter is connected to one end polarization maintaining fiber 3, the other end of the latter being connected to the photodetector 4.
  • the operation of this compensation system is as follows: using appropriate measurement means 5, the degree of polarization is measured on the polarization maintaining fiber, so as to quantify the importance of the dispersion, and the polarization controller is modified so as to minimize the dispersion. If we consider that the polarization modal dispersion phenomenon becomes troublesome from 10% of the bit time, a dispersion of 10 ps is the tolerable limit for a bit rate of 10 Gbit / s.
  • a first known technology of polarization controller aiming to meet these constraints, is the Niobate Lithium (LiNbO 3 ) technology. It is described in particular in the document entitled “Endless polarization control using integrated optic lithium niobate device” (in French: “optical device integrated with Lithium Niobate using endless polarization control"), Electron. Letters Vol 24, pp. 266-268, 1988, by N. Walker and G. Walker, JLT, Vol. 8 pp. 438-458, 1990. It relates to integrated optics components on which electrodes distributed on the guide make it possible to alternate conversions of TE / TM modes with phase shifts. Three independent potentials allow to realize an endless dynamic controller.
  • This first technology has several drawbacks, namely in particular: high control voltages (more than 100 volts), residual birefringence outside the field, insertion losses (typically 3-4 dB) and a high manufacturing cost.
  • a second known polarization controller technology uses opto-ceramic components (PLZT type) from the company Corning (registered trademark).
  • a third known polarization controller technology which is the other most serious option, consists of a conventional combination of phase blades (two quarter-waves and half-waves) with variable axes.
  • a single phase plate with an axis and variable phase shift is sufficient.
  • liquid crystal solutions (nematic or smectic) are the most used because they have strong electro-optical effects over short distances and allow an endless rotation of the director.
  • the invention particularly aims to overcome these various drawbacks of the state of the art.
  • one of the objectives of the present invention is to provide a polarization controller allowing rapid control (a few tens of microseconds), that is to say having switching times (also called reconfiguration times) very low, compatible with the new high bit rates on optical fibers.
  • the invention also aims to provide such a polarization controller allowing dynamic and endless control. Another objective of the invention is to provide such a polarization controller having a low manufacturing cost, in particular compared to those manufactured according to the aforementioned known technologies.
  • An additional objective of the invention is to provide such a polarization controller which does not require any alignment layer.
  • a device for controlling the polarization of a signal conveyed in the form of a light beam comprising: a cell made up of two substrate plates essentially parallel to each other and between which is confined a content comprising a polymer in which liquid crystal droplets are dispersed; first means for applying, to at least part of the contents of the cell, a first electric field substantially perpendicular to the direction of propagation of the light beam, so that, depending on whether the first electric field is applied or not, at least part of the contents of the cell constitute a birefringent or isotropic medium respectively.
  • the size of the liquid crystal droplets is much smaller, and preferably at least in a ratio of ten, to the wavelength of the light beam.
  • the general principle of the invention therefore consists in replacing, in the polarization controller, the liquid crystal by a heterogeneous system constituted by droplets of liquid crystal of small diameter dispersed in a polymer matrix.
  • This heterogeneous system is called "nano-PDLC", with reference to the English term PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal ", for” liquid crystal dispersed in a polymer).
  • PDLC Polymer Dispersed Liquid Crystal ", for” liquid crystal dispersed in a polymer.
  • the size of the droplets is comparable to the wavelength of the incident light, and there is a phenomenon of diffusion.
  • Such a diffusion phenomenon does not exist with the heterogeneous "nano-PDLC” system of the invention, because the droplets of liquid crystal are small compared to the wavelength.
  • the advantages of the “nano-PDLC” are in particular: the ease of implementation, the absence of orientation layer for the liquid crystal, the stability over time of the structure, the rapid response time.
  • the invention is also based on a completely new and inventive configuration of application of the electric field.
  • the electric field is applied (substantially) perpendicular to the direction of light propagation, so that the light beam sees a birefringent material.
  • the electric field is collinear with the direction of propagation of the light. It causes a reorientation of the director of the liquid crystal in the droplets.
  • the directing vector of the liquid crystal in the droplets tends to align with the applied electric field but, statistically, the directions in each of the droplets are distributed on a cone whose axis of symmetry is the applied field.
  • the polarization controller according to the invention is much faster. It is moreover of better quality and optical homogeneity (no alignment problem for large thicknesses, no alignment layers) than smectic liquid crystal solutions (cf. article by Dupont and American patent n ° US 5 313 562 cited above). In addition, unlike these, it does not present a problem of DC voltage. Finally, it has switching times as low as those of these known smectic liquid crystal solutions.
  • the first means for applying the first electric field comprise at least one pair of electrodes disposed in a plane substantially parallel to the substrate plates.
  • the first means for applying the first electric field comprise a plurality of pairs of electrodes, making it possible to arbitrarily orient the applied electric field.
  • the plurality of pairs of electrodes is arranged in a star, so as to apply a first electric field rotating continuously.
  • the first means for applying the first electric field comprise at least one pair of two-dimensional electrodes and produced on one of the faces of one of the two plates.
  • the first means of applying the first electric field comprise: at least a first pair of two-dimensional electrodes, produced on the internal face, which is in contact with the contents of the cell, of one of the two plates; at least a second pair of two-dimensional electrodes, produced on the internal face, which is in contact with the contents of the cell, on the other of the two plates; and said at least first and second pairs of two-dimensional electrodes are complementary, so as to increase the penetration depth of the first electric field.
  • the first means for applying the first electric field comprise at least one pair three-dimensional electrodes and having a thickness equal to at least a substantial part of the thickness of the contents of the cell.
  • the aforementioned second embodiment with the two-dimensional electrodes (that is to say of small thicknesses), the depth of penetration of the electric field into the thickness of the cell remains low and inhomogeneous. It is therefore difficult to obtain significant phase shifts.
  • the two substrate plates belong to the group comprising: glass plates and ends of optical fibers.
  • the amplitude of the first electric field applied by said first application means is predetermined, so as to obtain a predetermined birefringence modulation as a function of said first electric field.
  • said device also comprises second means for applying, to said at least part of the contents of the cell, a second electric field whose amplitude is predetermined, so as to obtain a birefringence modulation predetermined, function of the sum of said first and second electric fields.
  • said device comprises means making it possible to vary the amplitude of the first electric field and / or of the second electric, so as to obtain a variable birefringence modulation.
  • the invention also relates to the application of the aforementioned polarization control device to the implementation of a polarization modal dispersion compensation (PMD).
  • PMD polarization modal dispersion compensation
  • FIG. 1 already described previously, presents a simplified diagram of a compensation system for the polarization modal dispersion, comprising a polarization controller, a polarization-maintaining fiber and means for measuring the degree of polarization on the maintenance fiber polarization;
  • FIG. 2 presents a simplified diagram of a particular embodiment of the polarization controller according to the present invention;
  • FIG. 3 illustrates the application of an electric field perpendicular to the direction of propagation of the light beam;
  • FIG. 1 already described previously, presents a simplified diagram of a compensation system for the polarization modal dispersion, comprising a polarization controller, a polarization-maintaining fiber and means for measuring the degree of polarization on the maintenance fiber polarization;
  • FIG. 2 presents a simplified diagram of a particular embodiment of the polarization controller according to the present invention;
  • FIG. 3 illustrates the application of an electric field perpendicular to the direction of propagation of the light beam;
  • FIG. 1 already described previously
  • FIG. 4 shows a simplified diagram of a first embodiment of the (two-dimensional) electrodes included in the polarization controller according to the present invention
  • FIG. 5 presents a simplified diagram of a second embodiment of the electrodes (three-dimensional) included in the polarization controller according to the present invention
  • FIGS. 6 and 7 each show a curve representing the voltages necessary to obtain a phase shift of ⁇ as a function of the thickness of the cell included in the polarization controller according to the present invention, for an inter-electrode space equal to 30 ⁇ m ( fig. 6) and 20 ⁇ m. (fig. 7) respectively.
  • the invention therefore relates to a polarization controller which can in particular be implemented within a compensation system for polarization modal dispersion (PMD), as described above in relation to FIG. 1.
  • PMD polarization modal dispersion
  • the polarization controller 20 comprises: a cell made up of two glass plates 6 and 7 essentially parallel to each other and between which is confined a "nano-PDLC" material.
  • the latter comprises a polymer 8 in which liquid crystal droplets 9 are dispersed, the dimension of which (for example a few tens of nanometers) is less, at least in a ratio of ten, to the wavelength of the light beam; at least one pair of electrodes (see detailed discussion below, in connection with FIGS. 4 and 5) making it possible to apply, to at least part of the contents of the cell, an electric field E (see FIGS.
  • the operating principle is as follows: depending on whether the electric field is applied or not, at least part of the contents of the cell constitute a birefringent or isotropic medium respectively.
  • N Xn c l (E) + (l- ⁇ ) n P olymer (1)
  • x denotes the relative proportion of liquid crystal compared to that of the polymer
  • n ol (E) denotes the average liquid crystal index on all the droplets, which depends on the electric field E applied, and can be written:
  • the graphs of FIGS. 6 and 7 summarize the voltages necessary to obtain a phase shift of ⁇ as a function of the thickness of the cell of "nano-PDLC" material, for an inter-electrode space d equal to 30 ⁇ m (fig.6) and 20 ⁇ m (fig. 7) respectively. It is assumed that the maximum index variations are of the order of 0.013 for applied electric fields of 20 V / ⁇ m. It can be seen that the phase shifts can be obtained from small thicknesses. This point is important because it makes it possible to envisage a device without collimation optics, the losses by beam divergence remaining very low (by example 0.1 dB for a conventional single-mode optical fiber, and insignificant for an extended core optical fiber).
  • an electrode system is adopted for at least one of the two glass plates 6 and 7 comprising a plurality (three for example) of pairs of electrodes arranged in a star in a plane substantially parallel to the plate. of affected glass.
  • this electrode system has an axis of symmetry Oy orthogonal to the glass plate concerned. This axis of symmetry Oy coincides with the direction D of light propagation.
  • the electrode system of the glass plate referenced 6 comprises three pairs of two-dimensional electrodes (41a, 41b), (42a, 42b) and (43a, 43b). These electrodes are produced on one of the faces of the glass plate, preferably the internal face, which is in contact with the "nano-PDLC" material contained in the cell. These electrodes can be obtained by photolithography, either from a transparent conductive deposit (ITO), or from a metal deposit. For example, “LIGA” technology is used, which includes an electrolytic growth stage. By applying phase-shifted voltages to each of the electrodes of the same pair of electrodes (for example those referenced 41a and 41b in FIG. 4), an electric field E parallel to the glass plate is generated. The beam passing through the center of the electrode system then sees a birefringent material.
  • the glass plates can both have complementary electrode systems, which makes it possible to increase the depth of penetration ((along the axis Oy) of the electric field.
  • the electrode system (common to the two glass plates) comprises three pairs of three-dimensional electrodes (51a, 51b), (52a, 52b) and (53a, 53b) ("massive") very thick (a few tens of microns thick).
  • These electrodes can be made of conductive materials (metals) or semiconductors (Silicon or others). They can be obtained either by photolitography of substrates, or by the use of micro-tips.
  • the advantages of the polarization controller according to the invention are in particular the following: uniformity of the applied electric field; a dual function of director axis rotation and index modulation by means of a single tension control; a simplified electronic interface; great mechanical robustness; good confinement of the material allowing the expected effect on small thicknesses of active component (10-15 ⁇ m); a useful pupil of a few tens of ⁇ m (typically 30 ⁇ m) compatible with the use of single-mode or single-mode fibers with an extended core or comprising an external collimation micro-optic and allowing the use of reasonable voltages.
  • the thickness of "nano-PDLC” is however small enough for the optical beam coming from a fiber does not diverge when passing through the material.
  • the specifications for the optical compensation device are:
  • the polarization controller comprises: in addition to the aforementioned (first) means for applying an electric field perpendicular to the direction of propagation of light, other (second) means for applying a second electric field.
  • the birefringence modulation obtained is in this case a function of the sum of the first and second electric fields.
  • a predetermined birefringence modulation is obtained.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de contrôle de la polarisation d'un signal véhiculé sous la forme d'un faisceau lumineux. Selon l'invention, ce dispositif comprend: -une cellule constituée de deux plaques de substrat essentiellement parallèles entre elles et entre lesquelles est confiné un contenu comprenant un polymère dans lequel sont dispersées des gouttelettes de cristal liquide; -des moyens d'application, ô au moins une partie du contenu de la cellule, d'un champ électrique sensiblement perpendiculaire ô la direction de propagation du faisceau lumineux,de façon que, selon que le champ électrique est appliqué ou non, au moins une partie du contenu de la cellule constitue un milieu biréfringent ou isotrope respectivement.

Description

Dispositif de contrôle de la polarisation d'un signal véhiculé sous la forme d'un faisceau lumineux, et application correspondante.
Le domaine de l'invention est celui de la transmission de signaux par fibres optiques.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de contrôle de la polarisation d'un signal véhiculé, par fibre optique, sous la forme d'un faisceau lumineux. Un contrôleur de polarisation idéal est une lame biréfringente dont on peut contrôler à la fois l'orientation des axes propres et le déphasage, et qui possède en outre un contrôle sans fin.
Un tel contrôleur de polarisation s'applique notamment, mais non exclusivement, au sein d'un système de compensation de la dispersion modale de polarisation.
Il convient de rappeler que la montée en débit sur les fibres optiques amène à prendre en compte des phénomènes jusque là considérés comme négligeables. C'est le cas de la dispersion modale de polarisation (PMD), notamment sur les fibres d'ancienne génération. On rappelle qu'on entend par dispersion modale de polarisation (ou PMD, pour "Polarization Mode Dispersion" en anglais) le fait qu'au cours de la transmission, les impulsions optiques sont dédoublées sur deux états de polarisation.
Pour compenser cette dispersion, il est connu d'insérer en série, entre la fibre optique de transmission et le photodétecteur, un système de compensation comprenant un contrôleur de polarisation, une fibre à maintien de polarisation et des moyens de mesure du degré de polarisation sur "la fibre à maintien de polarisationr En d'autres termes, et comme illustré sur la figure 1, la fibre optique de transmission 1 est reliée à l'entrée du contrôleur de polarisation 2, et la sortie de ce dernier est reliée à une extrémité de la fibre à maintien de polarisation 3, l'autre extrémité de cette dernière étant reliée au photodétecteur 4. Le fonctionnement de ce système de compensation est le suivant : à l'aide de moyens de mesure appropriés 5, on mesure le degré de polarisation sur la fibre à maintien de polarisation, de façon à quantifier l'importance de la dispersion, et on modifie le contrôleur de polarisation de façon à minimiser la dispersion. Si l'on considère que le phénomène de dispersion modale de polarisation devient gênant à partir de 10% du temps bit, une dispersion de 10 ps est la limite tolérable pour un débit de 10 Gbit/s.
La compensation de la dispersion modale de polarisation impose de fortes contraintes aux contrôleurs de polarisation à savoir : un contrôle rapide (qq lOμs), dynamique et sans fin.
Une première technologie connue de contrôleur de polarisation, visant à répondre à ces contraintes, est la technologie Niobate de Lithium (LiNbO3). Elle est décrite notamment dans le document intitulé "Endless polarisation control using integrated optic lithium niobate device" (en français : "dispositif optique intégré au Niobate de Lithium utilisant le contrôle de polarisation sans fin"), Electron. Letters Vol 24, pp. 266-268, 1988, par N. Walker et G. Walker, JLT, Vol. 8 pp.438-458, 1990. Elle concerne des composants d'optique intégrée sur lesquels des électrodes réparties sur le guide permettent d'alterner des conversions de modes TE/TM avec des déphasages. Trois potentiels indépendants permettent de réaliser un contrôleur dynamique sans fin. Cette première technologie présente plusieurs inconvénients, à savoir notamment : des tensions de commande élevées (plus de 100 Volts), une biréfringence résiduelle hors champ, des pertes d'insertion (typiquement 3-4 dB) et un coût de fabrication élevé.
Une seconde technologie connue de contrôleur de polarisation utilise des composants opto-céramiques (type PLZT) de la société Corning (marque déposée).
Une troisième technologie connue de contrôleur de polarisation, qui constitue l'autre option la plus sérieuse, consiste en une combinaison classique de lames de phase (deux quart-d'onde et une demi-onde) à axes variables. On pourra se reporter notamment à l'article de Z. Zhuang et al. intitulé "polarisation controller using nematic liquid crystal" (en français : "contrôleur de polarisation utilisant un cristal liquide nématique"), Optics Letters, Vol. 24, pp 694-696, 1999. Théoriquement une seule lame de phase à axe et déphasage variable suffit.
Dans cette approche, les solutions à cristal liquide (nématique ou smectique) sont les plus utilisées car disposant de forts effets électro-optiques sur de faibles distances et permettant une rotation sans fin du directeur. On pourra se reporter notamment à l'article de T. Chiba et al. intitulé "Polarisation stabiliser using liquid crystal rotatable waveplates" (en français : "stabilisateur de polarisation utilisant des lames-ondes à cristal liquide tournantes"), JLT Vol. 17, pp.885-890, 1999.
Les solutions à cristal liquide nématique sont hélas désormais trop lentes (qq 10ms).
Des solutions à cristal liquide smectique ont donc été proposées. On pourra se reporter notamment à l'article de L. Dupont et al. intitulé "Principle of polarisation mode dispersion controller using homeotropic electroclinic liquid crystal confined single mode fibre device" (en français : "principe d'un contrôleur de dispersion modale de polarisation utilisant un cristal liquide homéotrope et électroclinique confiné dans un dispositif à fibre monomode"), Optics Communications, Vol. 176, pp. 113-119, 2000. et RNRT Copoldyn. On pourra également se reporter au brevet américain n° US 5 313 562 de Marconi GEC Ltd, ayant pour titre "Optical device with électrodes end-to-end with electric field causing homeotropic alignment of liquid crystal in space between ends" (en français : "dispositif optique à électrodes se faisant face pour appliquer un champ électrique provoquant un alignement homéotrope du cristal liquide dans l'espace entre les extrémités des électrodes"). Le texte de cet article de Dupont et le texte de ce brevet américain n° US 5 313 562 de Marconi GEC Ltd sont insérés ici par référence.
Ces solutions à cristal liquide smectique présentent cependant la plupart du temps de fortes contraintes de qualité d'alignement (nécessité d'utiliser des couches d'alignement) et de faibles angles de modulation.
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention est de fournir un contrôleur de polarisation permettant un contrôle rapide (quelques dizaines de microsecondes), c'est-à-dire présentant des temps de commutation (aussi appelés temps de reconfiguration) très faibles, compatibles avec les nouveaux débits élevés sur les fibres optiques.
L'invention a également pour objectif de fournir un tel contrôleur de polarisation permettant un contrôle dynamique et sans fin. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel contrôleur de polarisation ayant un faible coût de fabrication, notamment par rapport à ceux fabriqués selon les technologies connues précitées.
Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel contrôleur de polarisation qui ne nécessite aucune couche d'alignement.
Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un dispositif de contrôle de la polarisation d'un signal véhiculé sous la forme d'un faisceau lumineux, ledit dispositif comprenant : une cellule constituée de deux plaques de substrat essentiellement parallèles entre elles et entre lesquelles est confiné un contenu comprenant un polymère dans lequel sont dispersées des gouttelettes de cristal liquide ; des premiers moyens d'application, à au moins une partie du contenu de la cellule, d'un premier champ électrique sensiblement perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux, de façon que, selon que le premier champ électrique est appliqué ou non, au moins une partie du contenu de la cellule constitue un milieu biréfringent ou isotrope respectivement.
Avantageusement, la dimension des gouttelettes de cristal liquide est largement inférieure, et préférentiellement au moins dans un rapport de dix, à la longueur d'onde du faisceau lumineux.
Le principe général de l'invention consiste donc à remplacer, dans le contrôleur de polarisation, le cristal liquide par un système hétérogène constitué de gouttelettes de cristal liquide de faible diamètre dispersées dans une matrice de polymère. Ce système hétérogène est appelé "nano-PDLC", en référence au terme anglais PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal", pour "cristal liquide dispersé dans un polymère). Dans le système hétérogène PDLC "classique", la taille des gouttelettes est comparable à la longueur d'onde de la lumière incidente, et il existe un phénomène de diffusion. Un tel phénomène de diffusion n'existe pas avec le système hétérogène "nano-PDLC" de l'invention, du fait que les gouttelettes de cristal liquide sont petites devant la longueur d'onde. Les avantages du « nano-PDLC » sont notamment : la facilité de mise en œuvre, l'absence de couche d'orientation pour le cristal liquide, la stabilité dans le temps de la structure, le temps de réponse rapide.
Sans champ électrique appliqué, il y a une répartition statistique du vecteur directeur dans les gouttelettes. L'onde se propageant dans le milieu voit un indice moyen entre celui du cristal liquide et celui du polymère. En effet, l'orientation des directeurs à l'intérieur des gouttelettes est déterminée par les interactions entre polymère et cristal liquide à l'interface. Ces orientations sont généralement aléatoirement distribuées en l'absence de champ électrique.
L'application d'un champ électrique, perpendiculairement à la direction de propagation, provoque la réorientation des gouttelettes de cristal liquide, ce qui se traduit par une modulation globale de réfringence (le caractère statistique disparaît partiellement). En d'autres termes, le faisceau lumineux voit un matériau biréfringent.
On notera qu'en cas d'application d'un champ électrique colinéaire à la direction de propagation de la lumière, on observe une modulation d'indice (réfringence).
L'invention repose également sur une configuration tout à fait nouvelle et inventive d'application du champ électrique. Le champ électrique est appliqué (sensiblement) perpendiculairement à la direction de propagation de la lumière, de façon que le faisceau lumineux voit un matériau biréfringent.
On rappelle qu'au contraire, dans la configuration classique d'utilisation d'une cellule de PDLC, le champ électrique est colinéaire à la direction de propagation de la lumière. Il provoque une réorientation du directeur du cristal liquide dans les gouttelettes. Le vecteur directeur du cristal liquide dans les gouttelettes a tendance à s'aligner sur le champ électrique appliqué mais, statistiquement, les directions dans chacune des gouttelettes sont réparties sur un cône dont l'axe de symétrie est le champ appliqué. L'onde voit alors un milieu qui reste isotrope quel que soit le champ appliqué. Seul l'indice du matériau change. Des études ont montré que l'évolution de l'indice du matériau en fonction du champ électrique appliqué, pour de forte puissance de rayonnement UV, suivait la loi : δ n = E2, avec α = 5.10"5 μπrW2.
Par rapport aux solutions à cristal liquide nématique, le contrôleur de polarisation selon l'invention est beaucoup plus rapide. Il est par ailleurs de meilleure qualité et homogénéité optique (pas de problème d'alignement pour des épaisseurs importantes, pas de couches d'alignement) que les solutions à cristal liquide smectique (cf. article de Dupont et brevet américain n° US 5 313 562 précités). En outre, contrairement à celles-ci, il ne présente pas de problème de tension continue. Enfin, il présente des temps de commutation aussi faibles que ceux de ces solutions connues à cristal liquide smectique.
De façon avantageuse, les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent au moins une paire d'électrodes disposée dans un plan sensiblement parallèle aux plaques de substrat.
Selon une caractéristique avantageuse, les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent une pluralité de paires d'électrodes, permettant d'orienter de façon arbitraire le champ électrique appliqué.
De façon avantageuse, la pluralité de paires d'électrodes est disposée en étoile, de façon à appliquer un premier champ électrique tournant de manière continue.
Dans un premier mode de réalisation avantageux de l'invention, les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent au moins une paire d'électrodes bidimensionnelles et réalisées sur l'une des faces de l'une des deux plaques.
Avantageusement, les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent : au moins une première paire d'électrodes bidimensionnelles, réalisées sur la face interne, qui est en contact avec le contenu de la cellule, de l'une des deux plaques; au moins une seconde paire d'électrodes bidimensionnelles, réalisées sur la face interne, qui est en contact avec le contenu de la cellule, de l'autre des deux plaques ; et lesdites au moins une première et seconde paires d'électrodes bidimensionnelles sont complémentaires, de façon à augmenter la profondeur de pénétration du premier champ électrique.
Dans un second mode de réalisation avantageux de l'invention, les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent au moins une paire d'électrodes tridimensionnelles et présentant une épaisseur égale à au moins une partie substantielle de l'épaisseur du contenu de la cellule.
Dans le premier mode de réalisation précité, avec les électrodes bidimensionnelles (c'est-à-dire de faibles épaisseurs), la profondeur de pénétration du champ électrique dans l'épaisseur de la cellule reste faible et inhomogène. Il est donc difficile d'obtenir des déphasages importants. Le second mode de réalisation précité, avec les électrodes tridimensionnelles (c'est-à-dire de fortes épaisseurs), vise à pallier cet inconvénient.
De façon préférentielle, les deux plaques de substrat appartiennent au groupe comprenant : des plaques de verre et des extrémités de fibres optiques.
Avantageusement, l'amplitude du premier champ électrique appliqué par lesdits premiers moyens d'application est prédéterminée, de façon à obtenir une modulation de biréfringence prédéterminée fonction dudit premier champ électrique.
Selon une variante avantageuse, ledit dispositif comprend en outre des seconds moyens d'application, à ladite au moins une partie du contenu de la cellule, d'un second champ électrique dont l'amplitude est prédéterminée, de façon à obtenir une modulation de biréfringence prédéterminée, fonction de la somme desdits premier et second champs électrique.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit dispositif comprend des moyens permettant de faire varier l'amplitude du premier champ électrique et/ou du second électrique, de façon à obtenir une modulation de biréfringence variable.
L'invention concerne également l'application du dispositif de contrôle de la polarisation précité à la mise en œuvre d'un système de compensation de la dispersion modale de polarisation (PMD).
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 , déjà décrite précédemment, présente un schéma simplifié d'un système de compensation de la dispersion modale de polarisation, comprenant un contrôleur de polarisation, une fibre à maintien de polarisation et des moyens de mesure du degré de polarisation sur la fibre à maintien de polarisation ; la figure 2 présente un schéma simplifié d'un mode de réalisation particulier du contrôleur de polarisation selon la présente invention ; la figure 3 illustre l'application d'un champ électrique perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau lumineux ; la figure 4 présente un schéma simplifié d'un premier mode de réalisation des électrodes (bidimensionnelles) comprises dans le contrôleur de polarisation selon la présente invention ; la figure 5 présente un schéma simplifié d'un second mode de réalisation des électrodes (tridimensionnelles) comprises dans le contrôleur de polarisation selon la présente invention ; les figures 6 et 7 présentent chacune une courbe représentant les tensions nécessaires pour obtenir un déphasage de π en fonction de l'épaisseur de la cellule comprise dans le contrôleur de polarisation selon la présente invention, pour un espace inter-électrode égal à 30 μm (fig.6) et 20 μm. (fig.7) respectivement.
L'invention concerne donc un contrôleur de polarisation pouvant notamment être mis en œuvre au sein d'un système de compensation de la dispersion modale de polarisation (PMD), tel que décrit précédemment en relation avec la figure 1.
Comme illustré sur le schéma simplifié de la figure 2, dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le contrôleur de polarisation 20 comprend : une cellule constituée de deux plaques de verre 6 et 7 essentiellement parallèles entre elles et entre lesquelles est confiné un matériau "nano-PDLC". Ce dernier comprend un polymère 8 dans lequel sont dispersées des gouttelettes de cristal liquide 9 dont la dimension (par exemple quelques dizaines de nanomètres) est inférieure, au moins dans un rapport de dix, à la longueur d'onde du faisceau lumineux ; au moins une paire d'électrodes (voir discussion détaillée ci- après, en relation avec les figures 4 et 5) permettant d'appliquer, à au moins une partie du contenu de la cellule, un champ électrique E (voir figures 3 et 4) sensiblement perpendiculaire à la direction D de propagation du faisceau lumineux 10. Le principe de fonctionnement est le suivant : selon que le champ électrique est appliqué ou non, au moins une partie du contenu de la cellule constitue un milieu biréfringent ou isotrope respectivement.
Lorsque le champ électrique n'est pas appliqué, il y a une répartition statistique du vecteur directeur dans les gouttelettes. L'onde se propageant dans le matériau "nano- PDLC" voit un milieu isotrope possédant un indice moyen entre celui du cristal liquide moyenne sur toutes les gouttelettes et celui du polymère. Une expression phénoménologique en donne la variation:
N = Xncl(E)+(l-χ)nPolymère (1) où x désigne la proportion relative de cristal liquide par rapport à celle du polymère, et nol(E) désigne l'indice du cristal liquide moyenne sur toutes les gouttelettes, qui dépend du champ électrique E appliqué, et peut s'écrire :
_ 2nn+ne ncl -^ (2) avec n0 et ne les indices ordinaire et extraordinaire respectivement du cristal liquide.
Lorsque le champ électrique E est appliqué perpendiculairement à la direction D de propagation du faisceau lumineux (comme illustré en figure 3), l'onde se propageant dans le matériau "nano-PDLC" voit un milieu biréfringent dont les indices ordinaire et extraordinaire peuvent être exprimés respectivement comme suit :
No = Xn0(E)+(l-x)nPolymère (3) Ne = Xtle(E)+(l-x)nPolymère (4)
Des mesures ont montré que pour des tensions de l'ordre de 20 V/ m, des biréfringence de l'ordre de 0,01 ont été obtenues pour des pertes par diffusion acceptables.
Les graphes des figures 6 et 7 résument les tensions nécessaires pour obtenir un déphasage de π en fonction de l'épaisseur de la cellule de matériau "nano-PDLC", pour un espace inter-électrode d égal à 30 μm (fig.6) et 20 μm (fig.7) respectivement. On suppose que les variations d'indice maximales sont de l'ordre de 0,013 pour des champs électriques appliqués de 20 V/μm. On voit que les déphasages peuvent être obtenus à partir d'épaisseurs faibles. Ce point est important car il permet d'envisager un dispositif sans optique de collimation, les pertes par divergence de faisceau restant très faibles (par exemple 0,1 dB pour une fibre optique mono-mode classique, et insignifiantes pour une fibre optique à cœur étendu).
On présente maintenant, en relation avec les figures 4 et 5, deux modes de réalisation des électrodes comprises dans le contrôleur de polarisation selon la présente invention.
Dans les deux cas, on adopte, pour au moins une des deux plaques de verre 6 et 7, un système d'électrodes comprenant une pluralité (trois par exemple) de paires d'électrodes disposées en étoile dans un plan sensiblement parallèle à la plaque de verre concernée. En outre, ce système d'électrodes possède un axe de symétrie Oy orthogonal à la plaque de verre concernée. Cet axe de symétrie Oy est confondu avec la direction D de propagation de la lumière. Ainsi, il est possible d'appliquer un champ électrique dont on contrôle parfaitement l'orientation et que l'on peut faire tourner de manière continue et sans fin.
En outre, en appliquant une tension variable entre les électrodes de chaque paire d'électrodes, on peut obtenir une modulation de biréfringence variable.
Dans le premier mode de réalisation, illustré sur la figure 4, le système d'électrodes de la plaque de verre référencée 6 comprend trois paires d'électrodes bidimensionnelles (41a, 41b), (42a, 42b) et (43a, 43b). Ces électrodes sont réalisées sur l'une des faces de la plaque de verre, préferentiellement la face interne, qui est en contact avec le matériau "nano-PDLC" contenu dans la cellule. Ces électrodes peuvent être obtenue par photolithographie, soit à partir d'un dépôt conducteur transparent (ITO), soit à partir d'un dépôt métallique. On utilise par exemple la technologie « LIGA », qui inclut une étape de croissance électrolytique. En appliquant des tensions déphasées sur chacune des électrodes d'une même paire d'électrodes (par exemple celles référencées 41a et 41b sur la figure 4), on génère un champ électrique E parallèle à la plaque de verre. Le faisceau passant au centre du système d'électrodes voit alors un matériau biréfringent.
Les plaques de verre peuvent avoir toutes les deux des systèmes d'électrodes complémentaires, ce qui permet d'augmenter la profondeur de pénétration, (selon l'axe Oy) du champ électrique. Dans le second mode de réalisation, illustré sur la figure 5, le système d'électrodes (commun aux deux plaques de verre) comprend trois paires d'électrodes (51a, 51b), (52a, 52b) et (53a, 53b) tridimensionnelles ("massives") de fortes épaisseur (quelques dizaines de microns d'épaisseur). Ces électrodes peuvent être en matériaux conducteurs (métaux) ou semi-conducteurs (Silicium ou autres). Elles peuvent être obtenues soit par photolitographie de substrats, soit par l'emploi de micro-pointes.
Les avantages du contrôleur de polarisation selon l'invention sont notamment les suivants : une uniformité du champ électrique appliqué ; une double fonction de rotation d'axe du directeur et de modulation d'indice au moyen d'une commande unique de tension ; une interface électronique simplifiée ; une grande robustesse mécanique ; un bon confinement du matériau permettant l'effet espéré sur de faibles épaisseurs de composant actif (10-15 μm) ; une pupille utile de quelques dizaines de μm (typiquement 30 μm) compatible avec l'utilisation de fibres mono-modes ou mono-modes à coeur étendu ou comprenant une micro-optique externe de collimation et autorisant de l'utilisation de tensions raisonnables. L'épaisseur de "nano-PDLC" est toutefois suffisamment faible pour le faisceau optique issu d'une fibre ne diverge pas à la traversée du matériau.
Dans un tel contexte, les spécifications pour le dispositif optique de compensation sont :
Optionnellement, le contrôleur de polarisation selon la présente invention comprend : outre les (premiers) moyens précités permettant d'appliquer un champ électrique perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière, d'autres (seconds) moyens d'application d'un second champ électrique.
La modulation de biréfringence obtenue est dans ce cas fonction de la somme des premier et second champs électriques. Ainsi, en choisissant convenablement les amplitudes de ces deux champs électriques, on obtient une modulation de biréfringence prédéterminée.
En outre, si l'on souhaite obtenir une modulation de biréfringence variable, on peut prévoir des moyens permettant d'appliquer le premier et/ou le second champ électrique avec une amplitude variable.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de contrôle de la polarisation d'un signal véhiculé sous la forme d'un faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il comprend : une cellule constituée de deux plaques de substrat essentiellement parallèles entre elles et entre lesquelles est confiné un contenu comprenant un polymère dans lequel sont dispersées des gouttelettes de cristal liquide ; des premiers moyens d'application, à au moins une partie du contenu de la cellule, d'un premier champ électrique sensiblement perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux, de façon que, selon que le premier champ électrique est appliqué ou non, au moins une partie du contenu de la cellule constitue un milieu biréfringent ou isotrope respectivement.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension des gouttelettes de cristal liquide est largement inférieure à la longueur d'onde du faisceau lumineux.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dimension des gouttelettes de cristal liquide est inférieure à la longueur d'onde du faisceau lumineux au moins dans un rapport de dix.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent au moins une paire d'électrodes disposée dans un plan sensiblement parallèle aux plaques de substrat.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent une pluralité de paires d'électrodes, permettant d'orienter de façon arbitraire le champ électrique appliqué.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pluralité de paires d'électrodes est disposée en étoile, de façon à appliquer un premier champ électrique tournant de manière continue.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent au moins une paire d'électrodes bidimensionnelles et réalisées sur l'une des faces de l'une des deux plaques.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent : au moins une première paire d'électrodes bidimensionnelles, réalisées sur la face interne, qui est en contact avec le contenu de la cellule, de l'une des deux plaques; au moins une seconde paire d'électrodes bidimensionnelles, réalisées sur la face interne, qui est en contact avec le contenu de la cellule, de l'autre des deux plaques ; et en ce que lesdites au moins une première et seconde paires d'électrodes bidimensionnelles sont complémentaires, de façon à augmenter la profondeur de pénétration du premier champ électrique.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les premiers moyens d'application du premier champ électrique comprennent au moins une paire d'électrodes tridimensionnelles et présentant une épaisseur égale à au moins une partie substantielle de l'épaisseur du contenu de la cellule.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les deux plaques de substrat appartiennent au groupe comprenant : des plaques de verre et des extrémités de fibres optiques.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'amplitude du premier champ électrique appliqué par lesdits premiers moyens d'application est prédéterminée, de façon à obtenir une modulation de biréfringence prédéterminée fonction dudit premier champ électrique.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des seconds moyens d'application, à ladite au moins une partie du contenu de la cellule, d'un second champ électrique dont l'amplitude est prédéterminée, de façon à obtenir une modulation de biréfringence prédéterminée, fonction de la somme desdits premier et second champs électrique.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de faire varier l'amplitude du premier champ électrique et/ou du second électrique, de façon à obtenir une modulation de biréfringence variable.
14. Application du dispositif de contrôle de la polarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 à la mise en œuvre d'un système de compensation de la dispersion modale de polarisation (PMD).
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