FR2560394A1

FR2560394A1 - Electrooptic modulator device comprising an optical fibre

Info

Publication number: FR2560394A1
Application number: FR8402856A
Authority: FR
Inventors: Francois Micheron; Herve Arditty
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1984-02-24
Publication date: 1985-08-30
Also published as: FR2560394B1

Abstract

The device of the invention is an electro-optic modulator device comprising an optical fibre 4 which includes an optical cladding made from piezoelectric material, two outer electrodes 11, 12 being arranged on the outer surface of this cladding, and an inner electrode 10 between this cladding 4 and the core 15 of the fibre. A potential difference V is applied between the two outer electrodes. The application is particularly applicable to the production of electrically controlled electrooptic modulators.

Description

DISPOSITIF MODULATEUR ELECT ROOP TIQUE
COMPORTANT UNE FIBRE OPTIQUE.ELECTROOPTIC MODULATOR DEVICE
COMPRISING OPTICAL FIBER.

La présente invention décrit un dispositif modulateur électrooptique comportant une fibre à gaine piézoélectrique. The present invention describes an electrooptical modulator device comprising a piezoelectric sheath fiber.

Un article intitulé "Optical fiber copolymer film electric field sensor" paru dans "Applied Optics" le premier avril 1983 décrit un détecteur de champ électrique qui utilise la variation d'indice d'une fibre induite par effet électrooptique, due aux contraintes mécaniques engendrées par effet piézoélectrique dans une gaine polymère. Ce détecteur comprend deux électrodes planes disposées de part et d'autre de la fibre. An article entitled "Optical fiber copolymer film electric field sensor" published in "Applied Optics" on April 1, 1983 describes an electric field detector which uses the variation of index of a fiber induced by electrooptical effect, due to the mechanical stresses generated by piezoelectric effect in a polymer sheath. This detector comprises two planar electrodes arranged on either side of the fiber.

Cette gaine polymère peut êfre du polyfluorure de vinylìåène (PVF2), ou mieux les copolymères avec le polytétrafluoroéthylène (PVF2/PTFE) ou le polytrifluoréthylène (PVF2/P TrFE). This polymeric sheath can be polyvinylfluoride (PVF2), or better the copolymers with polytetrafluoroethylene (PVF2 / PTFE) or polytrifluoroethylene (PVF2 / P TrFE).

Une grande simplification d'un tel détecteur consiste à disposer ces électrodes à la surface de la fibre mais la difficulté de mise en oeuvre de ce détecteur réside alors dans la disposition des électrodes et dans la prise des contacts sur lesdites électrodes. A great simplification of such a detector consists in placing these electrodes on the surface of the fiber, but the difficulty in implementing this detector then lies in the arrangement of the electrodes and in making the contacts on said electrodes.

Le dispositif de l'invention permet de réaliser un modulateur ayant ces caractéristiques de fabrication mais dans lequel est résolu le problème du positionnement des électrodes. The device of the invention makes it possible to produce a modulator having these manufacturing characteristics but in which the problem of positioning the electrodes is resolved.

Le dispositif de l'invention a pour objet un dispositif modulateur électrooptique comprenant une fibre qui comporte un coeur et une gaine optique en matériau piézoélectrique et deux électrodes extérieures disposées sur la surface extérieure de cette gaine, une différence de potentiel étant appliquée entre ces deux électrodes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une électrode interne disposée entre le coeur et la gaine de ladite fibre. The object of the device of the invention is an electrooptical modulator device comprising a fiber which comprises a core and an optical sheath made of piezoelectric material and two external electrodes disposed on the external surface of this sheath, a potential difference being applied between these two electrodes , characterized in that it further comprises an internal electrode disposed between the core and the sheath of said fiber.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles:
- les figures 1 à 3 représentent différents dispositifs de l'art connu,
- la figure 4 représente le dispositif de l'invention,
- la figure 5 représente un schéma équivalent du dispositif de l'invention,
- les figures 6 à 9 représentent différentes variantes du dispositif de Invention
Dans les dispositifs de l'art connu, il existe différentes façons de positionner les électrodes dans un modulateur électrooptique à gaine piézo électrique.The invention will be better understood by means of the description below and the appended figures among which:
FIGS. 1 to 3 represent different devices of the known art,
FIG. 4 represents the device of the invention,
FIG. 5 represents an equivalent diagram of the device of the invention,
- Figures 6 to 9 show different variants of the device of Invention
In the devices of the known art, there are different ways of positioning the electrodes in an electrooptical modulator with a piezoelectric sheath.

Dans une première configuration représentée à la figure 1, des électro des annulaires 2,3 sont disposées sur la gaine 4, mais alors la longueur d'intéraction 5 est faible, de même que la variation d'indice sauf dans le cas de fortes tensions de modulations. Dans une seconde configuration represen- tée à la figure 2, les électrodes 6,7 sont en forme de deux portions d'un même cylindre, déposées sur la gaine 4: le champ électrique et les contraintes mécaniques sont très hétérogènes, neanmoins la longueur d'intéraction peut être grande. Enfin dans une troisième configuration représentée à la figure 3 on obtient des électrodes 8 et 9, en métallisant la fibre, puis en la gainant ensuite du polymère piézoélectrique, cetui-ci étant métallisé extérieurement.Dans ce dernier cas, il y a une impossibilité accéder à l'électrode interne 8. In a first configuration represented in FIG. 1, electro-annulars 2,3 are placed on the sheath 4, but then the length of interaction 5 is small, as is the variation of index except in the case of high voltages of modulations. In a second configuration represented in FIG. 2, the electrodes 6,7 are in the form of two portions of the same cylinder, deposited on the sheath 4: the electric field and the mechanical stresses are very heterogeneous, nevertheless the length d interaction can be great. Finally, in a third configuration represented in FIG. 3, electrodes 8 and 9 are obtained, by metallizing the fiber, then by coating it with piezoelectric polymer, this latter being metallized externally. In the latter case, it is impossible to access to the internal electrode 8.

Le dispositif de l'invention concerne une telle configuration d'électrode des mais il ne nécessite pas accès à l'électrode interne 8. Il permet par rapport aux dispositifs de l'art connu, d'obtenir une meilleure homogénéisé das champs électriques et des contraintes mécaniques. De plus la longueur dintéraction entre les électrodes est plus importante. The device of the invention relates to such an electrode configuration, but it does not require access to the internal electrode 8. It allows, compared with the devices of the known art, to obtain better homogenized das electric fields and mechanical stresses. In addition, the length of interaction between the electrodes is greater.

Le dispositif de rinvention est représenté à la figure 4. Il comporte une électrode interne 10 et deux électrodes externes 11 et 12 entre lesquelles est appliquée la différence de potentiel V. On peut alors considérer la variation de chemin optique dans le dispositif de l'invention:
Pour une fibre de longueur Q d'indice n sous Peffet d'une contrainte mécanique qui engendre une variation dimensionnelle A CIRIER, / Q la variation dindice par effet élastooptique est sensiblement, pour la silice:

The inventive device is shown in FIG. 4. It comprises an internal electrode 10 and two external electrodes 11 and 12 between which the potential difference V is applied. The variation in optical path can then be considered in the device of the invention :
For a fiber of length Q of index n under the effect of a mechanical stress which generates a dimensional variation to be estimated, / Q the variation of index by elastooptic effect is substantially, for silica:

On suppose que la gaine piézoélectrique impose une variation de longueur à la fibre gainée, par le jeu d'un coefficient piézoélectrique transversal; effet piézoélectrique longitudinal n'étant pas pris en compte, du fait que la face externe de la gaine est libre.Cette approximation n'est utilisable en toute rigueur que dans le cas des basses fréquences (fréquences inférieures à la fréquence de résonnance en mode longitudinal). Aux fréquences supérieures, la variation de chemin optique tend vers la limite due à la seule variation associée à l'eff et élastooptique. It is assumed that the piezoelectric sheath imposes a variation in length on the sheathed fiber, by the play of a transverse piezoelectric coefficient; longitudinal piezoelectric effect not being taken into account, since the external face of the sheath is free. This approximation can only be strictly used in the case of low frequencies (frequencies lower than the resonance frequency in longitudinal mode ). At higher frequencies, the variation of optical path tends towards the limit due to the only variation associated with the eff and elastooptics.

Le calcul de la variation de longueur du composite fibre/gaine est effectué dans rapproximation d'absence de cisaillement dans la gaine:
Rayon de la fibre: r
Rayon de la fibre gainée: R
d'où épaisseur de polymère: R - r
Coefficient piézo transverse d intrinsèque du polymère:

avec t: champ électrique, V: tension appliquée soit Ep le module d'Young du polymère
Ef le module Young de la fibre
On obtient l'alongement T de la fibre gainée:

The calculation of the variation in length of the fiber / cladding composite is carried out by approximating the absence of shear in the cladding:
Fiber radius: r
Sheathed fiber radius: R
hence polymer thickness: R - r
Piezo transverse coefficient intrinsic of the polymer:

with t: electric field, V: applied voltage let Ep be the Young's modulus of the polymer
Ef the Young module of the fiber
The elongation T of the sheathed fiber is obtained:

La fonction e (p) passe par le maximum e max = 0,144 pour
Popt = 0,288, ce qui permet d'optimiser l'épaisseur de la gaine pour un rayon de fibre donné.The function e (p) goes through the maximum e max = 0.144 for
Popt = 0.288, which optimizes the thickness of the sheath for a given fiber radius.

Application numérique:
d = 20.10 12 m.V-1(PVF2/PTrFE) r = 100 /urn
p=popt
Ep=2.5 109 Nm-1
Ef = 5.10I0Nm 1
(n = 20). d'où #l = 2,9 10-8 V-1 # #(n l)
l nl pour n = 1.5 et Q = 1 mètre
.# (n l) = 4,3 10-8 m par volt et pour 1 mètre soit, pour h (n Q) = > = 0,3 10 6m

1 mètre = 7 volts
Ainsi la fibre modulatrice, représentée à la figure 4 a la constitution de celle de la figure 3 (fibre conductrice en surface, gaine métallisée), à la différence que la métallisation de la gaine est interrompue sur une courte distance 13. La tension V de modulation est appliquée entre les deux électrodes externes 11,12 ainsi définies. Le schéma équivalent à ce dispositif est représenté sur la figure 5.Les deux'sections de la fibre définissent deux capacités C1 et C2 placées en série, l'électrode commune étant la métallisation interne. Si les deux électrodes externes 11, 12 ont la même longueur, C1 égale C2, et la tension appliquée dans chaque section est V/2.Digital Application:
d = 20.10 12 mV-1 (PVF2 / PTrFE) r = 100 / urn
p = popt
Ep = 2.5 109 Nm-1
Ef = 5.10I0Nm 1
(n = 20). hence #l = 2.9 10-8 V-1 # # (nl)
l nl for n = 1.5 and Q = 1 meter
. # (nl) = 4.3 10-8 m per volt and for 1 meter either, for h (n Q) => = 0.3 10 6m

1 meter = 7 volts
Thus the modulating fiber, represented in FIG. 4 has the constitution of that of FIG. 3 (conductive fiber at the surface, metallized sheath), with the difference that the metallization of the sheath is interrupted over a short distance 13. The voltage V of modulation is applied between the two external electrodes 11,12 thus defined. The diagram equivalent to this device is shown in Figure 5. The two sections of the fiber define two capacitors C1 and C2 placed in series, the common electrode being the internal metallization. If the two external electrodes 11, 12 have the same length, C1 equals C2, and the voltage applied in each section is V / 2.

On remarquera toutefois que les directions des champs électriques sont opposées dans les deux sections. Dans le cas d'une gaine piezoélectrique uniformément polarisée, les effets piézoélectriques donc les effets élaste optiques correspondants tendent à s'opposer et même à s'annuler dans le cas de deux sections de même longueur.Note, however, that the directions of the electric fields are opposite in the two sections. In the case of a uniformly polarized piezoelectric sheath, the piezoelectric effects therefore the corresponding optical elastic effects tend to oppose and even cancel out in the case of two sections of the same length.

Pour résoudre ce problème deux solutions sont possibles. To solve this problem two solutions are possible.

ar Une première solution consiste à utiliser un polymère non polaire, dans lequel on met en oeuvre effet d'électrostriction. Mais les effets électrostrictifs transverses ne sont pas utilisables sauf en cas de mise en oeuvre de grandes longueurs et de tensions importantes, pour que leurs effets ne soient pas négligeables. ar A first solution consists in using a non-polar polymer, in which the electrostriction effect is implemented. However, the transverse electrostrictive effects cannot be used except in the case of implementation of great lengths and significant voltages, so that their effects are not negligible.

b) La seconde solution, proposée dans cette demande de brevet, consiste à créer dans la gaine piézoélectrique une polarisation rémanente hétérogène, de sorte que celle ci soit partout dans la même direction que celle du champ appliqué pour la modulation. b) The second solution, proposed in this patent application, consists in creating a heterogeneous remanent polarization in the piezoelectric sheath, so that it is everywhere in the same direction as that of the field applied for modulation.

En effet, l'eff et piézoélectrique est une conséquence de l'effet élec trostrictif, lequel est autopolarisé par la polarisation rémanente. Indeed, the piezoelectric and eff is a consequence of the trostrictive electic effect, which is autopolarized by the remanent polarization.

Cette solution est mise en oeuvre selon le procédé suivant:
- opérer sur la métallisation de la gaine non polarisée une interruption, comme représenté sur la figure 4.This solution is implemented according to the following method:
- operate on the metallization of the non-polarized sheath with an interruption, as shown in FIG. 4.

- connecter entre les deux électrodes la source de tension de polarisation, et procéder à ropération de polarisation. - connect the polarization voltage source between the two electrodes, and carry out polarization operation.

- Popération de polarisation terminée, la source de tension de polarisation est alors remplacée par la source de tension de modulation. - Polarization population finished, the polarization voltage source is then replaced by the modulation voltage source.

On remarque qu'en admettant que la polarisation rémanente, donc le coefficient piezoélectrique, soit proportionnel au champ de polarisation, la position de l'interruption de métallisation est importante. It is noted that by admitting that the remanent polarization, therefore the piezoelectric coefficient, is proportional to the field of polarization, the position of the interruption of metallization is important.

Au contraire, si le coefficient piezoélectrique a atteint sa valeur de saturation dans les deux tronçons, la position de l'interruption de métallisation est indifférente (le champ électrique dans une section étant inversement proportionnel à sa longueur). On the contrary, if the piezoelectric coefficient has reached its saturation value in the two sections, the position of the metallization interruption is indifferent (the electric field in a section being inversely proportional to its length).

On peut alors considérer différents exemples de mise en oeuvre. We can then consider different examples of implementation.

La fibre peut être métallisée par méthode électroless. Une autre technique consiste à effectuer un pré-gainage à l'aide dun polymère conducteur, par exemple le copolymère polyfluorure de vinylidène/polytri- fluoroéthylène (PVF2/PTrFE) de faible masse moléculaire, chargé dau moins 15 % de poudre de carbone conducteur. Le gainage proprement dit est effectué à l'aide d'un polymère piézoélectrique, qui ne nécessite pas d'étirement Pour induction de la phase polaire, par exemple de la forme:

ou mieux P

The fiber can be metallized by electroless method. Another technique consists in carrying out a pre-cladding using a conductive polymer, for example the low molecular weight polyvinylidene / polytrifluoroethylene (PVF2 / PTrFE) copolymer loaded with at least 15% of conductive carbon powder. The actual sheathing is carried out using a piezoelectric polymer, which does not require stretching. For induction of the polar phase, for example of the form:

or better P

Enfin, l'électrode externe peut à nouveau être obtenue par procède électroless, ou par surgainage de polymère conducteur. Finally, the external electrode can again be obtained by electroless process, or by sheathing of conductive polymer.

Dans ce cas, des électrodes en polymère conducteur, les trois couches polymères peuvent être obtenues par triple coextrusion coaxiale avec la fibre, du fait de leur bonne comptabilité. In this case, electrodes made of conductive polymer, the three polymer layers can be obtained by triple coaxial coextrusion with the fiber, due to their good compatibility.

L'interruption de l'électrode externe peut être pratiquée mécaniques ment ou chimiquement par dissolution; la polarisation est effectuée en portant les deux électrodes à une différence de potentiel créant dans la fibre un champ d'environ 1 MV/cm, soit par exemple, pour 100 /um de gaine,
V = 20.000 V, pendant 5 minutes à température ambiante.The interruption of the external electrode can be practiced mechanically or chemically by dissolution; the polarization is carried out by bringing the two electrodes to a potential difference creating in the fiber a field of approximately 1 MV / cm, that is for example, for 100 / μm of sheath,
V = 20,000 V, for 5 minutes at room temperature.

La zone 13 d'interruption d'électrode peut être surgainée d'un polymère isolant 14, déposé par exemple, en solution, comme représenté à la figure 6, afin d'éviter le claquage dans cette zone de largeur par exemple de quelques millimètres. The electrode interruption zone 13 can be overgrown with an insulating polymer 14, deposited for example, in solution, as shown in FIG. 6, in order to avoid breakdown in this zone of width, for example of a few millimeters.

Cette coupure 13 peut être réalisée en utilisant un dissolvant. This cut 13 can be achieved using a solvent.

Le dispositif l'invention peut être répété plusieurs fois le long d'une même fibre, comme représenté à la figure 7. The device of the invention can be repeated several times along the same fiber, as shown in FIG. 7.

Les électrodes du dispositif de l'invention peuvent avoir la forme d'une hélice. The electrodes of the device of the invention may have the shape of a helix.

Ainsi sur la figure 8 l'électrode interne 10 à la forme d'une hélice, et à la figure 9 les électrodes externes Il et 12 ont cette forme avec, entre elles, la coupure 13. Thus in FIG. 8 the internal electrode 10 in the form of a helix, and in FIG. 9 the external electrodes II and 12 have this form with, between them, the cut 13.

Ces électrodes peuvent être obtenues par rubanage ou par toute autre méthode de dépot en hélice d'une couche d'aluminium très mince par exemple. These electrodes can be obtained by tape or by any other method of helically depositing a very thin aluminum layer for example.

Cette variante du dispositif de l'invention permet alors d'obtenir une contrainte qui a une variation en hélice. This variant of the device of the invention then makes it possible to obtain a stress which has a helical variation.

Claims

1. Electrooptical modulator device comprising a fiber which comprises a core (1) and an optical sheath (4) made of piezoelectric material and two external electrodes (11,12) arranged on the external surface of this sheath (4), a potential difference (V) being applied between these two electrodes (11,12), characterized in that it further comprises an internal electrode (10) disposed between the core (1) and the sheath (4) of said fiber.

2. Device according to claim 1, characterized in that this piezoelectric material is a polymer material

3. Device according to claim 2, characterized in that this polymeric material is polyvinylidene fluoride.

4. Device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric material is a copolymer of polyvinylidene fluoride

5. Device according to claim 4 characterized in that this copolymer is polytetrafluoroethylene.

6. Device according to claim 4, characterized in that this copolymer is polytrifluoroethylene.

7. Device according to claim 1, characterized in that an insulating polymer layer (14) is deposited above the zone situated between the two external electrodes (li, 12).

8. Device according to claim 1 characterized in that the internal electrode is a ribbon having the shape of a helix wound around the core (1) of the fiber.

9. Device according to claim 1, characterized in that the external electrodes (11,12) are two strips having the shape of a helix wound around the optical sheath (4) of the fiber.