FR2869117A1 - Dispositif de modulation spatiale d'un faisceau lumineux et applications correspondantes - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de modulation spatiale d'un faisceau lumineux du type comprenant :- un élément (75) à cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC), dit élément à PDLC, ledit élément à PDLC comprenant au moins deux pixels répartis suivant une matrice possédant deux axes de pixellisation et pouvant être adressés indépendamment les uns des autres au moyen d'un système à au moins deux électrodes ;- des moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation du faisceau lumineux incident dudit dispositif.Selon l'invention, les moyens optiques comprennent des moyens de dépolarisation (74) permettant de dépolariser le faisceau lumineux incident sur ledit élément à PDLC.

Description

Dispositif de modulation spatiale d'un faisceau lumineux et applications

correspondantes.

1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des télécommunications optiques. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de modulation spatiale de la lumière à base de cristal liquide, qui soit insensible à la polarisation du faisceau lumineux incident.

2. Solutions de l'art antérieur De tels dispositifs, couramment appelés modulateurs spatiaux de lumière, sont des composants-clefs des systèmes de télécommunications actuels. En effet, ils peuvent être utilisés pour réaliser des fonctions dynamiques d'atténuation ou de déphasage spatial du faisceau lumineux, à des fins d'égalisation de spectre, ou de canal (comme indiqué dans le document de brevet Européen n EP1207418 ou les documents de demandes de brevet français n 0315594 et n 0301699) de mise en forme du faisceau lumineux (en anglais "beam shaping"), ou encore d'obtention de lignes à retard variable ou de filtres accordables (comme indiqué dans le document de brevet Européen n EP09036152A).

On connaît déjà plusieurs types de modulateurs capables d'assurer ces différentes fonctions, mais parmi ceux-ci, la présente invention concerne plus particulièrement les modulateurs de lumière comprenant un élément à base de cristal liquide et cristal liquide composite, utilisé pour atténuer ou déphaser tout ou partie du faisceau lumineux.

Certains de ces modulateurs mettent en oeuvre une cellule à cristal liquide, contrôlée en tension, de façon que la tension appliquée aux bornes de la cellule fasse varier la phase de la lumière qui la traverse par rotation de l'axe optique du cristal liquide, d'une direction parallèle à la direction de propagation de la lumière vers une direction perpendiculaire, ou inversement. Un tel effet est par exemple exploité dans l'atténuateur optique présenté dans la demande de brevet internationale n WO 02/07 1 1 3 3 A2 au nom de XTELLUS Inc. Ces modulateurs à cristaux liquides peuvent, en outre, comprendre un système d'électrodes (sous forme de barrettes ou de matrices) permettant d'adresser indépendamment certaines zones du matériau à base de cristal liquide tel qu'indiqué dans le document de brevet américain n US6285500.

Ainsi dans le cas de l'utilisation du cristal liquide, on exploite la modulation de phase anisotrope du matériau par le champ électrique et le composant est naturellement sensible à la polarisation. Certaines configurations (notamment au niveau du choix des matériaux ou des conditions d'alignement) permettent toutefois de rendre le cristal liquide insensible à la polarisation tel que décrit dans le document de demande de brevet international n WO98/06192.

De nouveaux types de modulateurs ont récemment vu le jour, dans lesquels l'élément à cristal liquide a été remplacé par un élément contenant un mélange de cristal liquide et de polymère, appelé PDLC (pour l'anglais "Polymer Dispersed Liquid Crystal", ou en français, "cristal liquide dispersé dans du polymère") que l'on appelera dans la suite cellule à PDLC.

Dans la configuration usuelle d'un modulateur spatial de lumière, c'est-àdire lorsque le champ électrique appliqué au matériau PDLC est colinéaire au vecteur d'onde optique, un tel dispositif peut être considéré comme quasiment insensible à la polarisation, si le nombre, la taille et la forme des diffuseurs élémentaires (c'est-à-dire des gouttelettes de cristal liquide) sont correctement choisis.

Cette propriété d'insensibilité à la polarisation de la lumière incidente revêt une importance capitale dans le domaine des télécommunications, pour lequel on exige généralement une faible perte dépendant de la polarisation (ou PDL, pour l'anglais "Polarization Dependant Loss") comme indiqué dans le document de brevet Européen n EP1207418.

On se place dans le cas d'une cellule à PDLC divisée en une pluralité de zones élémentaires, ou pixels répartis suivant une matrice, qui peuvent être adressés indépendamment au moyen d'un système d'électrodes approprié. Pour une matrice de plus d'une ligne et plus d'une colonne, on peut définir deux axes de pixellisation qui correspondent aux directions selon lesquelles sont répartis les pixels. Dans le cas d'une matrice à une ligne ou une colonne, appelée barrette, on ne peut ainsi définir qu'un axe de pixellisation, mais on définit artificiellement un second axe de pixellisation correspondant à la direction orthogonale au premier axe.

La propriété d'insensibilité à la polarisation est généralement vérifiée dans la région centrale de chaque pixel élémentaire, mais pas dans les régions inter-pixels.

En effet, la différence de potentiel relative entre deux pixels adjacents adressés génère des champs électriques transverses, qui ont pour effet de donner une orientation préférentielle aux gouttelettes de cristal liquide, perpendiculairement au vecteur d'onde optique et dont on ne peut contrôler l'orientation.

Ce phénomène dépend bien sûr des tensions relatives entre les différents pixels de la cellule, de l'épaisseur et de la dimension de la zone interpixel.

Dans le cas où les zones élémentaires de la cellule ne peuvent pas être obturées (ce qui est le cas par exemple lorsque le modulateur est utilisé pour réaliser une atténuation continue du signal optique, le signal lumineux éclairant alors l'ensemble du modulateur, et non pas chaque pixel individuellement), ce phénomène a pour effet la réintroduction d'une anisotropie optique macroscopique parasite, qui provoque une augmentation de la PDL globale, et rend le modulateur incompatible avec les contraintes des systèmes de télécommunications optiques modernes.

Ce phénomène de sensibilité à la polarisation de la lumière incidente peut également se manifester dans la région utile d'un pixel, lorsque la dimension du pixel est petite par rapport à celle de la région interpixel: en effet, dans cette configuration, les effets du champ électrique créé sur un pixel sont sensibles sur le pixel voisin même au-delà de la zone inter-pixel proprement dite.

Ce phénomène nuisible dû à la création de champs électriques transverses est présenté plus en détail en relation avec la figure 1.

On considère un modulateur spatial de lumière comprenant deux plaques de verres recouvertes, pour l'une, d'une contre-électrode 10, et pour l'autre, d'un réseau d'électrodes transparentes 12, entre lesquelles est inséré un matériau de type PDLC 13. Chaque électrode permet d'appliquer une tension d'adressage locale au matériau, et un champ électrique, colinéaire au vecteur d'onde du faisceau lumineux éclairant le modulateur, prend alors naissance. Chaque électrode du réseau étant portée à un potentiel propre, des variations de tensions relatives entre les électrodes (par exemple les électrodes référencées 14, 15 et 16) sont induites, et des tensions transversales, illustrées sur la figure 1 par les lignes équipotentielles des zones 11 et 17, apparaissent.

Ces tensions transversales peuvent difficilement être réduites, du fait de la modulation variable sur les électrodes et des tensions de seuil élevées du PDLC. Du fait de la faible distance inter-pixel, elles des champs électriques transverses et concourent à introduire des orientations privilégiées des gouttelettes de cristal liquide, ce qui induit une biréfringence du matériau PDLC. Cette biréfringence permet de définir, en moyenne, deux états de polarisation particuliers qui sont sensiblement les directions de pixellisation d'où une sensibilité du composant à la polarisation de la lumière incidente.

Deux techniques sont généralement utilisées pour résoudre ce problème de sensibilité à la polarisation et sont présentées dans le document de demande de brevet n FR0301699. Ces deux techniques sont applicables dans le cas de modulateur à base de cristaux liquides mais aussi dans le cas de modulateur à base de PDLC ou nano PDLC (défini ci-après en relation avec la figure 4A).

La première technique est basée sur l'utilisation d'un système à diversité de polarisation illustré par les figures 2A et 2B.

En transmission (cf. figure 2A), on utilise deux cristaux biréfringents linéaires 211 et 212 (fabriqués par exemple dans de la calcite) montés tête-bêche, entre lesquels sont disposés le modulateur spatial de lumière 22 et deux lames demi-onde 231 et 232 orientées à 45 des axes de pixellisation du modulateur 22 respectivement en sortie et entrée de celui-ci.

Le premier cristal 211 permet de séparer la lumière incidente suivant deux états de polarisations 221 et 222. La première lame demi-onde 231 permet d'effectuer une rotation de la direction de polarisation 222 pour la rendre colinéaire à la direction de polarisation 221. Ainsi, n'importe quelle polarisation en entrée est transformée en deux faisceau de même polarisation et voit artificiellement un matériau isotrope.

Ce dispositif présente l'intérêt d'équilibrer les deux chemins optiques et donc de supprimer les pertes liées à la dispersion modale de polarisation (PMD pour Polarization Mode Dispersion). La direction de polarisation en sortie est celle d'un des états propres des éléments biréfringents linéaires 211 et 212 à savoir une polarisation rectiligne. Pour des raisons pratiques de séparation, les faisceaux doivent être collimatés à l'aide d'un dispositif de collimation non illustré à l'entrée et à la sortie du modulateur 22.

En réflexion (cf. figure 2B), on utilise un cristal biréfringent linéaire 24 (avec collimation du faisceau), une lame demi-onde 25 alignée sur un faisceau réfracté suivant le principe précédent et un retard fixe sur l'autre faisceau pour compenser la différence de chemin optique au retour (non illustré sur la figure 2B). Un modulateur spatial de lumière 26 est ensuite disposé devant un miroir 27.

La deuxième technique est basée sur l'utilisation d'une lame quart d'onde tel qu'illustrée par la figure 3A. Ainsi, on utilise une lame quart d'onde 31 située en face arrière d'un modulateur spatial de lumière 32, généralement entre un miroir 33 et le modulateur 32. Les axes propres de la lame quart d'onde sont orientés à 45 des axes de pixellisation. Le principe consiste à moyenner les atténuations entre la traversée à l'aller et au retour en effectuant une rotation de la polarisation des faisceaux incidents sur le modulateur. Afin de minimiser la PDL au niveau de la zone inter-pixel, il convient que la rotation soit maximale pour les deux polarisations correspondant aux axes de pixellisation et donc d'orienter les axes de la lame quart d'onde à 45 des axes de pixellisation (tel que décrit dans le document de brevet n FR 0301699).

Tel qu'illustré par la figure 3B, on associe généralement un prisme 34 de petit angle ou un coin de verre (appelé wedge en anglais) à la lame quart d'onde pour minimiser les effets de cavité optique générés par le désaccord d'indice entre la lame quart d'onde 31 et les constituants du modulateur spatial 32. En effet, ces effets cavité se traduisent par une augmentation de la PDL puisque la cavité optique est formée entre autre par un élément biréfringent 31.

Ces deux techniques permettent de réduire la PDL résultante de la traversée du modulateur. Cependant, elles nécessitent l'introduction de plusieurs éléments optiques dans le système ce qui introduit des pertes supplémentaires et complexifie le système. Ces éléments optiques introduisent aussi des effets cavité parasites (interférences multiples liées aux interfaces de milieux d'indices différents dans le système) qui génèrent de la PDL supplémentaire.

3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.

Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir une technique spécifique aux PDLC permettant de réaliser un modulateur spatial de lumière présentant très peu de PDL.

Un autre objectif de l'invention est de mettre en oeuvre une telle technique qui génère moins de pertes que les systèmes de l'art antérieur.

L'invention a encore pour objectif de fournir une telle technique qui permette de minimiser les effets cavité parasites et donc de réduire encore la PDL.

Un autre objectif de l'invention est de mettre en oeuvre une telle technique qui ne présente que très peu de dépendance chromatique.

L'invention a encore pour objectif de fournir une telle technique qui soit simple à mettre en oeuvre et pour un faible coût.

4. Caractéristiques essentielles de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un dispositif de modulation spatiale d'un faisceau lumineux du type 30 comprenant: un élément à cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC), dit élément à PDLC, ledit élément à PDLC comprenant au moins deux pixels répartis suivant une matrice possédant deux axes de pixellisation et pouvant être adressés indépendamment les uns des autres au moyen d'un système à au moins deux électrodes; - des moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation du faisceau lumineux incident dudit dispositif.

Selon l'invention, les moyens optiques comprennent des moyens de dépolarisation permettant de dépolariser le faisceau lumineux incident sur 10 l'élément à PDLC.

La sensibilité à la polarisation du dispositif provient de l'apparition d'au moins un champ électrique transverse entre les électrodes.

Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de modulateur spatial de faisceaux lumineux à PDL réduite.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens optiques comprennent en outre des moyens de repolarisation permettant de repolariser le faisceau lumineux issu dudit élément à PDLC.

Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, les moyens de dépolarisation et les moyens de repolarisation sont compris dans un même dispositif dépolarisant/repolarisant.

Ainsi, on obtient une réduction de la sensibilité à la polarisation au moyen d'un seul dispositif dépolarisant ou dépolariseur ce qui permet de s'affranchir des pertes liées à l'introduction de plusieurs dispositifs optiques comme dans les solutions de l'art antérieur.

Selon un autre mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, les moyens de dépolarisation sont compris dans un premier dispositif dépolarisant et les moyens de repolarisation sont compris dans un second dispositif repolarisant.

Avantageusement, les moyens de dépolarisation et/ou les moyens de repolarisation sont compris dans le plan Fourier d'au moins un montage optique 4f.

Préférentiellement, le ou les montages optiques 4f comprennent deux lentilles convergentes.

Selon un premier mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de dépolarisation et/ou les moyens de repolarisation comprennent au moins un prisme biréfringent.

Avantageusement, les moyens de dépolarisation et/ou les moyens de repolarisation comprennent un premier prisme biréfringent et un second prisme isotrope.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le premier prisme comprend une face avant sensiblement parallèle à la matrice et en ce que le second prisme est placé de sorte qu'une face arrière du premier prisme soit en regard d'une face avant du second prisme.

Avantageusement, le ou les prismes biréfringents comprennent deux axes neutres décalés de 45 par rapport aux axes de pixellisation.

La face arrière du second prisme et le plan comprenant les axes de pixellisation peuvent former un angle non nul.

Selon un second mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de dépolarisation comprennent au moins un réseau de diffraction sublongueur d'onde.

Selon un premier mode de mise en oeuvre conforme à l'invention, les moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent en outre au moins une lame quart d'onde.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent deux lames quart d'onde.

Avantageusement, les lames quart d'onde sont placées de part et d'autre de l'élément à PDLC.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent en outre des moyens d'atténuation de phénomènes d'interférences dues à des cavités parasites associés à la ou les lames quart d'onde.

Ainsi, on obtient une réduction de la PDL liée aux effets d'interférence de cavité.

Préférentiellement, les moyens d'atténuation comprennent un prisme de petit angle.

Avantageusement, le prisme de petit angle est placé entre l'élément à PDLC et la ou une des lames quart d'onde.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la ou les lames 10 quart d'onde comprennent deux axes propres décalés de 45 par rapport aux axes neutres du ou des prismes biréfringents.

Selon un second mode de mise en oeuvre conforme à l'invention, les moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent en outre un système à diversité de polarisation.

Préférentiellement, le système à diversité de polarisation comprend des moyens de séparation de polarisations et des moyens de rotation de la polarisation.

Avantageusement, le dispositif de modulation spatiale fonctionne en réflexion.

Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, le cristal liquide est de type nano-PDLC, des gouttelettes du cristal liquide dispersées dans le polymère ayant un diamètre sensiblement compris entre 10 nm et 100 nm.

L'invention concerne également les applications du dispositif de modulation spatiale tel que décrit précédemment à l'un des domaines appartenant au groupe comprenant: - l'atténuation d'un faisceau lumineux; - le déphasage au moins partiel d'un faisceau lumineux; - l'égalisation de spectre; - la mise en forme de faisceaux lumineux; - la conception de lignes à retard variable; - la conception de filtres accordables; - la sélection de bandes spectrales; - les multiplexeurs d'insertion extraction (ou en anglais OADM pour "Optical Add Drop Multiplexer").

5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 illustre le phénomène de création de champs électriques transverses dans les zones inter-électrodes d'une cellule à PDLC; les figures 2A et 2B sont des schémas d'un dispositif de modulation réalisé à partir d'une cellule à PDLC telle que celle de la figure 1 et comprenant un système à diversité de polarisation en transmission (figure 2A) et en réflexion (figure 2B) selon l'art antérieur; les figures 3A et 3B sont des schémas d'un dispositif de modulation en réflexion comprenant des lames quart d'onde selon l'art antérieur; les figures 4A et 4B présentent le principe de fonctionnement d'une cellule à cristal liquide de type PDLC mise en oeuvre dans le dispositif de modulation de l'invention; la figure 5 illustre un prisme de Cornu utilisé comme dépolariseur; la figure 6 illustre un dépolariseur à prisme biréfringent selon l'invention; les figures 7A et 7B illustrent un modulateur spatial de faisceau lumineux selon le premier mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention; - les figures 8A à 8D illustrent le fonctionnement du dépolariseur à prisme du montage des figures 7A et 7B; la figure 9 illustre un modulateur spatial de faisceau lumineux selon le deuxième mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention les figures 10A et 10B illustrent un modulateur spatial de faisceau lumineux selon le troisième mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention.

6. Description d'un mode de réalisation de l'invention Le principe général de l'invention repose sur l'utilisation d'un dispositif dépolarisant éventuellement associé à soit une ou plusieurs lames quart d'onde soit à un système à diversité de polarisation dans un modulateur spatial de lumière afin de réduire la PDL due à une anisotropie transverse parasite générée par un champ inter-pixel.

On présente, en relation avec les figures 4A et 4B, le principe de fonctionnement d'une cellule à PDLC ou élément à PDLC tel que mis en oeuvre dans un modulateur spatial d'un faisceau lumineux selon l'invention. Des gouttelettes de cristal liquide 40 sont formées au sein d'un matériau polymère hôte 41. Au repos (figure 4A), c'est-à-dire en l'absence de tout champ électrique appliqué aux bornes de la cellule, l'orientation de ces gouttelettes au sein du polymère est quelconque. Du fait de la différence entre l'indice du cristal liquide vu par le faisceau lumineux (fonction de l'orientation des gouttelettes de cristal liquide, de la polarisation du faisceau et des indices ordinaires et extraordinaires du cristal liquide) et du polymère, la lumière 42 qui traverse la cellule 43 voit une multitude de diffuseurs, ou, si les gouttelettes sont petites par rapport à la longueur d'onde de la lumière (typiquement, de 10 nm à 100 nm, on parle alors de nano PDLC), une multitude de retardateurs, ainsi qu'illustré par les flèches de la figure 4A.

Lorsqu'une tension 44 est appliquée aux bornes de la cellule (figure 4B), les gouttelettes de cristal liquide 40 s'alignent dans le champ électrique ainsi créé. Seul l'indice ordinaire du cristal liquide est alors visible par la lumière 42: cet indice étant comparable à celui du polymère, le milieu devient transparent, ainsi qu'illustré par les flèches de la figure 4B.

Les effets d'atténuation ou de déphasage d'un faisceau lumineux obtenus au moyen d'une telle cellule à PDLC exploitent donc des propriétés très différentes de celles mises en oeuvre dans une cellule à cristal liquide classique.

En effet, les propriétés utilisées dans une cellule à PDLC sont des propriétés de diffusion ou de retard de la lumière dues à la présence de gouttelettes ou de domaines de cristal liquide, et non, comme dans les cellules à cristal liquide classique, des propriétés liées à la rotation de l'axe optique du matériau.

La commande en tension d'une cellule à PDLC est généralement mise en oeuvre au moyen d'un système d'électrodes, organisées sous forme de barrettes ou de matrices, qui permettent d'adresser indépendamment certaines zones de la cellule, ou pixels (tel que décrit notamment dans la demande de brevet français n FR03115594).

On présente dans la suite un dispositif modulateur spatial de lumière selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. Un tel modulateur spatial de lumière comprend une cellule à PDLC (telle que décrite en relation avec les figures 4A et 4B) comprenant une pluralité de pixels définis à partir d'une matrice d'électrodes d'adressage et des moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation. On se place dans la suite dans le cas de modulateurs spatiaux fonctionnant en réflexion, l'Homme du Métier pourra sans difficultés mettre en oeuvre l'invention dans tout modulateur spatial à PDLC ou de ce type fonctionnant en transmission.

Le principe général du fonctionnement des moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation d'un modulateur spatial selon l'invention est basé sur une dépolarisation d'un faisceau lumineux incident sur la cellule à PDLC. Et plus particulièrement pour une lumière ayant l'un ou l'autre des deux états de polarisation concernés par l'anisotropie parasite, elle-même générée par le champ transverse. Cette technique n'est pas utilisable avec du cristal liquide pur. Au contraire, les solutions de l'art antérieur illustrées par les figures 3A et 3B, mettent en oeuvre une rotation de la polarisation des deux états de polarisation précités.

Les moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation d'un modulateur spatial selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention comprennent des moyens de dépolarisation d'un faisceau lumineux incident. Ces moyens sont compris dans un dispositif dépolarisant. Il existe plusieurs dispositifs dépolarisants décrits ciaprès à titre d'exemple, l'invention pouvant être mise en oeuvre avec tout type de dispositif de dépolarisation.

Un premier dispositif dépolarisant est le dépolariseur de Lyot classique qui consiste en l'association de deux lames biréfringentes taillées parallèlement à leurs axes optiques dont les axes neutres sont orientés à 45 les uns des autres (comme indiqué dans l'ouvrage de S. HUARD intitulé Polarisation de la lumière , publié chez MASSON en 1994).

Le choix d'un angle de 45 entre les axes neutres des deux lames rend l'association indépendante de la polarisation d'entrée. Par contre, ce type de dépolariseur ne travaille pas en lumière monochromatique, il ne peut y avoir dépolarisation que si le faisceau lumineux incident possède une largeur spectrale suffisante. En effet, chaque composante spectrale du faisceau va subir une conversion de polarisation et en sortie du composant, nous aurons une superposition d'états de polarisation. Le degré de polarisation va ainsi être abaissé. Dans le contexte d'égalisation de gain ou de canal, les largeurs spectrales mises en jeu ne permettent pas d'obtenir une bonne dépolarisation à moins d'avoir un composant extrêmement grand ce qui est incompatible avec les contraintes d'intégration généralement requises pour ce type de système optique.

Un deuxième dispositif dépolarisant est le prisme de Cornu qui est illustré par la figure 5. Il comprend deux demi-prismes isocèles rectangles dont le premier 51 est taillé dans du quartz gauche et le second 52 dans du quartz droit. Les axes optiques des deux prismes sont parallèles à la direction de propagation (comme indiqué dans l'ouvrage de S. HUARD intitulé Polarisation de la lumière , publié chez MASSON en 1994).

Si un éclairement uniforme de taille 2d arrive sur ce composant, il y a dépolarisation si la condition pd=rt/4+kt (où p est le pouvoir rotatoire spécifique du matériau) est vérifiée. Pour un matériau comme le quartz, il faudrait des tailles de faisceaux très importantes pour satisfaire cette condition ce qui augmenterait considérablement la taille du système. De plus, un tel composant est sensible à la polarisation incidente, il faudrait en cascader deux dont les axes optiques sont croisés l'un par rapport à l'autre de façon à s'affranchir de cette dépendance. Cela augmente le nombre de composants et la taille finale du système.

Un troisième dispositif dépolarisant est un réseau de diffraction sublongueur d'onde. Un tel dispositif de type diffractif ne possède qu'un ordre diffracté (l'ordre zéro) et peut être assimilé à un milieu biréfringent. En inscrivant un réseau de diffraction à pas variable, il est ainsi possible de reproduire l'effet du dépolariseur à prisme décrit ci-après puisque l'on a une variation spatiale de biréfringence. Des structures sub-longueur d'ondes présentant une variation de périodicité continue ont été déjà étudiées comme précisé dans la demande de brevet n WO03025635. Concernant la fonction de dépolariseur, une structure associant une lame quart d'onde et une lame demi-onde toutes deux variables peut être utilisée, ce qui permet de s'affranchir de la dépendance en polarisation du dispositif. Le composant étant calculé par ordinateur, de fortes biréfringences peuvent ainsi être obtenues. Par contre, un tel réseau doit être conçu de façon à éviter la présenced'anomalies de diffraction (phénomènes de résonance) qui sont souvent présentes en régime sub-longueur d'onde. Ces anomalies se traduisent par des variations brutales d'efficacité de diffraction et correspondent à un couplage entre un ordre évanescent du réseau et un mode guidé de la structure. Ils sont très chromatiques, une combinaison de lames permet d'élargir la gamme spectrale mais au prix d'une plus grande perte. La recombinaison des faisceaux peut-être également un problème.

Les dépolariseurs à base d'éléments diffractifs tels que les réseaux de diffraction sub-longueur d'onde nécessitent un dimensionnement assez complexe. Ces dépolariseurs présentent de fortes dépendances chromatiques lorsqu'ils sont utilisés à la résonance. La fabrication de tels composants nécessiterait une gravure au faisceau d'électron et le moindre défaut de fabrication altérerait la dépolarisation.

Un quatrième dispositif dépolarisant est réalisé à base d'un prisme biréfringent et est illustré par la figure 6. On l'appelle dépolariseur à prisme ou Wedge depolarizer en anglais. Un tel composant comprend un premier prisme 61 qui est biréfringent (qui peut être réalisé dans tout matériau adéquat) et dont la face d'entrée 62 est taillée parallèlement à l'axe optique 63 (qui peut être orienté de façon arbitraire dans ce plan). Ce premier prisme est associé à un second prisme 64 constitué d'un matériau isotrope (par exemple en silice, en verre, ou en tout autre matériau adéquat) servant à compenser du mieux que possible la déviation prismatique des faisceaux. Les deux prismes 63, 64 sont plaqués de sorte qu'une face arrière 631 du premier prisme soit en regard d'une face avant 641 du second prisme.

Pour ce type de composant, la dépolarisation est spatiale. En effet, chaque composante spatiale d'un faisceau incident va subir une différence de marche, un faisceau avec un état de polarisation en entrée bien défini sera constitué d'une superposition d'états de polarisation en sortie. Nous pouvons voir que contrairement au dépolariseur de Lyot, le dépolariseur à base de prisme biréfringent peut travailler avec une lumière monochromatique ou quasi monochromatique. Pour obtenir une dépolarisation maximale, une taille de faisceau spécifique est requise. Si la dimension du faisceau est déjà imposée par le système, un ajustement de l'angle du prisme ou le choix d'un matériau avec une biréfringence adéquate permettent d'obtenir un degré de polarisation donné. Par contre, l'épaisseur du composant n'est pas un paramètre critique, elle peut être adaptée à l'encombrement du composant dans le système. On gagne à l'utiliser dans le plan de Fourier où le faisceau optique est élargi.

La formule du degré de polarisation DoP , qui quantifie l'efficacité de polarisation ou de dépolarisation d'un faisceau lumineux incident, dont la polarisation est orientée à 45 des axes neutres du prisme biréfringent, par le dépolariseur à prisme, pour un éclairement uniforme est donnée par: Tsin on wsctanbf dop = c( Jll où An est la biréfringence du prisme, w la taille du faisceau, 0 l'angle du prisme 65 et X la longueur d'onde du faisceau incident.

Dans le cas où la direction de polarisation du faisceau incident est parallèle aux axes neutres du prisme biréfringent, le faisceau issue du dépolariseur reste totalement polarisée et DoP = 1. Enfin, dans le cas où la direction de polarisation du faisceau incident forme un angle quelconque avec les axes neutres du prisme biréfringent, le degré de polarisation DoP varie entre 0 et 1.

On peut vérifier que la dépendance chromatique de ce dispositif dépolarisant est faible (0,03dB sur toute la bande C des télécommunications) et meilleure que pour une lame demi-onde et un système de diversité de polarisation utilisant un élément à forte biréfringence. Par contre, ce dispositif à l'inconvénient de générer deux faisceaux en sortie, ceci étant dû au phénomène de double réfraction. Il convient de choisir un matériau approprié pour limiter ce phénomène (par exemple du quartz ou tout autre matériau adéquat). D'autre part, pour que cela ne soit pas gênant dans le cadre d'un modulateur spatial selon l'invention, il suffit de choisir des pixels de dimension suffisamment importante pour que les deux faisceaux puissent illuminer un même pixel.

La réponse est sensible à l'état de polarisation du faisceau incident, si la polarisation d'entrée est alignée sur les axes neutres du prisme, rien ne se passe (l'état de polarisation n'est pas modifié). Pour obtenir un effet de dépolarisation maximal, il faut que la polarisation d'entrée soit orientée à 45 des axes neutres du prisme biréfringent.

Le dépolariseur à prisme peut s'adapter facilement à un montage optique existant en ajustant soit la biréfringence du matériau soit l'angle du prisme O. En effet, à taille de faisceau w donnée, le degré de polarisation DoP dépend du produit On.tan0. De plus, la modélisation théorique de ce dépolariseur est assez aisée ce qui permet d'obtenir des formules simples pour sa conception.

L'aspect dépendance à la polarisation d'entrée n'est pas le plus gênant puisque pour une cellule à PDLC, la PDL est maximale lorsque l'on travaille avec des polarisations parallèles et orthogonales aux axes de pixellisation. Il suffit d'orienter les axes neutres du dépolariseur à 45 des axes de pixellisation de manière à dépolariser au maximum ces deux états.

Un autre avantage de ce dispositif dépolarisant est qu'il permet de repolariser le faisceau lumineux issu de la cellule à PDLC, ainsi, c'est un dispositif dépolarisantlrepolarisant.

Dans un premier mode de mise en oeuvre préférentiel d'un modulateur spatial selon l'invention, les moyens de réduction de la sensibilité à la polarisation du modulateur comprennent un dépolariseur à base d'une association d'un prisme biréfringent et d'un prisme isotrope telle que décrite précédemment.

Ainsi, dans ce mode de mise en oeuvre, des moyens de dépolarisation et des moyens de repolarisation sont compris dans le même dépolariseur.

Dans des variantes de ce mode de mise en oeuvre non illustrées, d'autres types de dispositifs dépolarisants peuvent être mis en oeuvre, par exemple un réseau de diffraction sub-longueur d'onde. Dans ces variantes, des moyens de repolarisation peuvent être compris dans un dispositif repolarisant distinct du dispositif dépolarisant. Dans d'autres variantes, l'Homme du Métier pourra mettre en oeuvre un modulateur spatial ne comprenant pas de moyens de repolarisation.

Les figures 7A et 7B illustrent un modulateur spatial de faisceau lumineux fonctionnant en égaliseur de spectre comprenant les moyens de réduction de la sensibilité à la polarisation selon le premier mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention.

La figure 7A est un schéma d'une vue de dessus du montage de ce modulateur qui comprend une fibre optique 70 par laquelle est issu un faisceau lumineux 71 comprenant une pluralité de longueurs d'onde, une première lentille convergente 721 collimate le faisceau 71, un réseau de diffraction 73 permettant de séparer spatialement les différentes longueurs du faisceau 71, un dépolariseur à prisme biréfringent 74 et une seconde lentille convergente 722 qui permet de focaliser le faisceau 71 sur une cellule à PDLC 75 comprenant un miroir réflechissant (non illustré) sur sa face arrière.

La figure 7B est un schéma d'une vue de côté du montage de la figure 7A. On peut remarquer que chaque sous faisceau, correspondant à une longueur d'onde du faisceau 71, issue du réseau de diffraction 73 est diffracté avec un angle différent, ce qui permet de le séparer spatialement les différents sous faisceaux avant de les traiter sélectivement sur la cellule à PDLC 75.

Le dépolariseur 74 comprend un prisme biréfringent 741 dont la face avant 7411 est sensiblement parallèle à la matrice de la cellule à PDLC 75 et dont les axes neutres sont orientés à 45 des axes de pixellisation de la cellule à PDLC 75. Dans ce cas, le choix adéquat de l'angle du prisme biréfringent 741 par rapport au plan formé par les axes de pixellisation (c'est-à-dire tel qu'il permet d'obtenir une valeur faible du paramètre DoP précité, pratiquement, on mesure des valeurs de l'ordre de 10-2) permet de dépolariser les faisceaux lumineux 71 ayant une polarisation linéaire de direction parallèle à l'un des axes de pixellisation (voir figure 8A à 8D).

Le dépolariseur 74 est placé préférentiellement dans le plan de filtrage, ou de Fourier, d'un montage de double diffraction, ou montage optique 4f (formé par les deux lentilles 721 et 722). En effet, dans ce plan, le faisceau est élargi et permet de baisser la valeur du paramètre dop décrit précédemment et donc de bénéficier, pour un angle de prisme donné, d'une plus grande dépolarisation. En d'autres termes, en travaillant en faisceau élargi, cela permet de dépolariser totalement les faisceaux ayant une polarisation linéaire de direction parallèle à l'un des axes de pixellisation, en limitant l'angle du prisme. Le fait de limiter l'angle du prisme permet de limiter la déviation entre les deux faisceaux en sortie (phénomène précité de double réfraction) du dépolariseur 74 pour l'ensemble des polarisations incidentes sur le dépolariseur 74.

Les figures 8A à 8D illustrent le fonctionnement du dépolariseur à prisme 74 du montage des figures 7A et 7B dans le cas où la cellule à PDLC 75 est une barrette de pixels 80.

Lorsque le faisceau lumineux 71 en entrée du dépolariseur 74 possède une direction de polarisation 81 ou 82 qui est parallèle à un axe de pixellisation (respectivement figures 8A et 8B), le faisceau 71 se sépare en sortie du dépolariseur en deux faisceaux respectivement 831 ou 832 totalement dépolarisés.

Lorsque le faisceau lumineux 71 en entrée du dépolariseur 74 possède une direction de polarisation 84 ou 85 qui forme un angle de 45 avec un des axes de pixellisation de la cellule à PDLC 75 (respectivement figures 8C et 8D), le faisceau 71 en sortie du dépolariseur conserve sa direction de polarisation, respectivement 86 ou 87.

Le modulateur spatial des figures 7A et 7B fonctionnant en réflexion, le faisceau lumineux 71 est repolarisé à la traversé du dépolariseur 75 après réflexion sur la cellule à PDLC et avant injection dans la fibre 70.

Dans un second mode de mise en oeuvre préférentiel d'un modulateur spatial selon l'invention, les moyens de réduction de la sensibilité à la polarisation du modulateur comprennent une association d'un dépolariseur à prisme biréfringent tel que le dépolariseur 74 des figures 7A et 7B et d'un système à diversité de polarisation tel que décrit en relation avec les figures 2A et 2B.

En effet, l'utilisation d'un dépolariseur à prisme biréfringent seul ne permet de dépolariser totalement un faisceau lumineux incident que pour les faisceaux possédant une polarisation linéaire orientée à 45 des axes neutres du dépolariseur.

La figure 9 illustre une telle association d'un dépolariseur à prisme biréfringent 91 et d'un système à diversité de polarisation 92 comprenant un prisme biréfringent linéaire 921 et des lames demi-onde 922. Le dépolariseur 91 comprend un prisme biréfringent 911 dont les axes neutres sont décalés de 45 par rapport aux axes de pixellisation de la cellule à PDLC. Les axes du cristal biréfringent 921 du système à diversité de polarisation sont décalés de 45 par rapport aux axes du prisme 911 du dépolariseur.

Ainsi, on combine un système à diversité de polarisation incluant un cristal biréfringent permettant de séparer les deux états de polarisation selon les axes de pixellisation de la cellule à PDLC, une lame demi-onde réalisant la rotation d'une des deux polarisations et un dépolariseur dont les axes sont orientés à 45 de ceux du cristal biréfringent. Ce faisant, il est possible de totalement dépolariser la lumière incidente sur le SLM, et ce, quelle que soit la polarisation de la lumière en entrée du système. Par rapport à un système à diversité de polarisation ou à un dépolariseur seul, la méthode permet de réduire notablement les effets d'interférences multiples se produisant à l'intérieur du modulateur à PDLC provenant des désaccords d'indice entre les différents constituants de celui-ci.

Dans le cas de l'utilisation d'un dépolariseur seul, ces interférences multiples peuvent se traduire directement par de la PDL, puisque la lumière est plus ou moins polarisée sur le modulateur suivant son état de polarisation en entrée.

Dans un troisième mode de mise en oeuvre préférentiel d'un modulateur spatial selon l'invention, les moyens de réduction de la sensibilité à la polarisation du modulateur comprennent une association d'un dépolariseur à prisme biréfringent tel que le dépolariseur 74 des figures 7A et 7B et deux lames quart d'onde.

Les figures 10A et 10B illustrent un tel modulateur spatial de faisceau lumineux fonctionnant en égaliseur de spectre fonctionnant en réflexion.

Le modulateur des figures 10A et 10B est identique au modulateur des figure 7A et 7B si ce n'est le fait qu'il comprend une cellule globale à PDLC 105 comprenant elle-même deux lames quart d'onde 1051 et 1052.

La cellule globale 105 comprend une cellule à PDLC 1050, similaire à la cellule 75 décrite en relation avec les figures 7A et 7B, une première lame quart d'onde 1051, une seconde lame quart d'onde 1052 et un miroir 1053, ce dernier permettant de réfléchir les faisceaux lumineux incidents sur la cellule 105.

Le miroir 1053 peut être un miroir métallique (dépôt d'un métal), un miroir diélectrique (dépôt de couches minces de matériaux diélectriques assurant une grande réflectivité) ou tout autre type de miroir. L'avantage du miroir métallique est qu'il permet d'assurer à la fois la fonction de miroir et la fonction d'électrode. Pour les applications dans l'infra-rouge proche (longueurs d'onde utilisées en télécommunication), l'or est un bon miroir métallique (forte réflectivité) ce qui permet de minimiser les pertes d'insertion du système.

Comme dans le cas du montage des figures 7A et 7B, le dépolariseur 104 comprend un prisme biréfringent 1041 dont les axes neutres sont orientés à 45 des axes de pixellisation de la cellule à PDLC 1050. Les axes propres des lames quart d'onde 1051 et 1052 sont décalés de 45 des axes neutres du prisme biréfringent 1041.

L'avantage de ce troisième mode de mise en oeuvre, est qu'il permet, pour les directions de polarisation parallèles aux axes propres du dépolariseur 104, de les transformer en polarisations circulaires à la traversée de la première lame quart d'onde 1051. La deuxième lame quart d'onde 1052 transforme les polarisations circulaires en un état orthogonal, ce qui fait que les effets d'interférences multiples pouvant se produire dans le modulateur spatial sont annulés, puisque les faisceaux pouvant interférer sont polarisés orthogonalement. On minimisera donc d'autant la PDL due à ces effets. Le modulateur spatial fonctionnant en réflexion, la lumière est totalement repolarisée à la traversée du dépolariseur avant couplage dans la fibre d'entrée/sortie.

Selon une variante de ce troisième mode de mise en oeuvre de l'invention, on peut utiliser une cellule globale 105 comprenant en outre un prisme de petit angle placé entre la cellule à PDLC 1050 et la seconde lame quart d'onde 1052 pour minimiser les effets de cavité optique générés par le désaccord d'indice entre cellule 1050 et la lame quart d'onde 1052.

L'Homme du Métier peut sans difficultés adapter les moyens de réduction de la sensibilité à la polarisation selon l'invention à des modulateurs spatiaux de faisceaux lumineux fonctionnant en transmission. Par exemple un tel modulateur peut comprendre un dispositif dépolarisant placé entre une fibre d'entrée et une cellule à PDLC et un dispositif repolarisant placé entre la cellule à PDLC et une fibre de sortie. Selon un mode de réalisation préférentiel non illustré, le dispositif dépolarisant et le dispositif repolarisant sont deux dépolariseurs à prisme biréfringent. Selon une variante de ce mode de réalisation, le dispositif dépolarisant est un réseau de diffaction sub longueur d'onde et le dispositif repolarisant est un dépolariseur à fibre.

Les dispositifs de modulation spatiale de faisceaux lumineux selon l'invention peuvent servir à l'un des domaines appartenant au groupe comprenant: - l'atténuation d'un faisceau lumineux polarisé ; - le déphasage au moins partiel d'un faisceau lumineux polarisé ; l'égalisation de spectre; - la mise en forme de faisceaux lumineux polarisés; - la conception de lignes à retard variable; - la conception de filtres accordables; - la sélection de bandes spectrales; - les multiplexeurs d'insertion extraction (ou en anglais OADM pour "Optical Add Drop Multiplexer").

Ces dispositifs peuvent aussi servir dans toute autre application nécessitant la modulation de faisceaux lumineux polarisés.

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de modulation spatiale d'un faisceau lumineux du type comprenant: - un élément (75) à cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC), dit élément à PDLC, ledit élément à PDLC comprenant au moins deux pixels répartis suivant une matrice possédant deux axes de pixellisation et pouvant être adressés indépendamment les uns des autres au moyen d'un système à au moins deux électrodes; - des moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation du faisceau lumineux incident dudit dispositif, caractérisé en ce que lesdits moyens optiques comprennent des moyens de dépolarisation (74, 91, 104) permettant de dépolariser le faisceau lumineux incident sur ledit élément à PDLC.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens 15 optiques comprennent en outre des moyens de repolarisation permettant de repolariser le faisceau lumineux issu dudit élément à PDLC.

3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépolarisation (74, 91, 104) et lesdits moyens de repolarisation sont compris dans un même dispositif dépolarisant/repolarisant.

4. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépolarisation sont compris dans un premier dispositif dépolarisant et lesdits moyens de repolarisation sont compris dans un second dispositif repol arisant.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépolarisation (74, 91, 104) et/ou lesdits moyens de repolarisation sont compris dans le plan Fourier d'au moins un montage optique 4f.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ou lesdits montages optiques 4f comprennent deux lentilles convergentes (721, 722).

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépolarisation (74, 91, 104) et/ou lesdits moyens de repolarisation comprennent au moins un prisme biréfringent (741, 911, 1041).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépolarisation (74, 91, 104) et/ou lesdits moyens de repolarisation comprennent un premier prisme biréfringent (741, 911, 1041) et un second prisme isotrope (742).

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit premier prisme (741, 911, 1041) comprend une face avant sensiblement parallèle à ladite matrice et en ce que ledit second prisme (742) est placé de sorte qu'une face arrière dudit premier prisme soit en regard d'une face avant dudit second prisme.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que le ou lesdits prismes biréfringents (741, 911, 1041) comprennent deux axes neutres décalés de 45 par rapport auxdits axes de pixellisation.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4 à 10 caractérisé en ce que lesdits moyens de dépolarisation comprennent au moins un réseau de diffraction sub-longueur d'onde.

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que lesdits moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent en outre au moins une lame quart d'onde (1051, 1052).

13. Dispositif selon la revendication 12 caractérisé en ce que lesdits moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent deux lames quart d'onde 1051, 1052).

14. Dispositif selon la revendication 13 caractérisé en ce que lesdites lames quart d'onde sont placées de part et d'autre dudit élément à PDLC (1050).

15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14 caractérisé en ce que lesdits moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent en outre des moyens d'atténuation de phénomènes d'interférences dues à des cavités parasites associés à la ou lesdites lames quart d'onde.

16. Dispositif selon la revendication 15 caractérisé en ce que lesdits moyens d'atténuation comprennent un prisme de petit angle.

17. Dispositif selon la revendication 16 caractérisé en ce que ledit prisme de petit angle est placé entre ledit élément à PDLC et ladite ou une desdites lames quart d'onde.

18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 17 et la revendication 10 caractérisé en ce que la ou lesdites lames quart d'onde (1051, 1052) comprennent deux axes propres décalés de 45 par rapport auxdits axes neutres du ou desdits prismes biréfringents.

19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que lesdits moyens optiques de réduction de la sensibilité à la polarisation comprennent en outre un système à diversité de polarisation (92).

20. Dispositif selon la revendication 19 caractérisé en ce que ledit système à diversité de polarisation (92) comprend des moyens de séparation de polarisations et des moyens de rotation de la polarisation.

21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 20 caractérisé en ce qu'il fonctionne en réflexion.

22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que ledit cristal liquide est de type nano-PDLC, des gouttelettes dudit cristal liquide dispersées dans ledit polymère ayant un diamètre sensiblement compris entre 10 nm et 100 nm.

23. Applications du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 22 à l'un des domaines appartenant au groupe comprenant: l'atténuation d'un faisceau lumineux; - le déphasage au moins partiel d'un faisceau lumineux; - l'égalisation de spectre; - la mise en forme de faisceaux lumineux; - la conception de lignes à retard variable; - la conception de filtres accordables; - la sélection de bandes spectrales; les multiplexeurs d'insertion extraction (ou en anglais OADM pour "Optical Add Drop Multiplexer").