Brevet FR2186667A1 — publié le 19740111

La présente invention concerne les modulateurs de lumière et se rapporte plus particulièrement à un modulateur de lumière par effet électro-optique. Dans les modulateurs de lumière classiques à effet électrooptique, le faisceau lumineux à moduler traverse un matériau électro-optique, la propagation de la lumière dans ce matériau étant modifiée en changeant son indice de réfraction par application d'un champ électrique. L'invention vise à créer un dispositif pour moduler la lumière sans que le faisceau lumineux traverse le matériau électrooptique. Elle a donc pour objet un procédé de modulation de la lumière se propageant dans un milieu présentant un premier indice de réfraction et situé entre un-second et un troisième milieux d'indices de réfraction inférieurs à celui du premier milieu, caractérisé en ce que l'un au moins des second et troisième milieux est en matériau électro-optique et en ce qu'il consiste à agir sur les ondes évanescentes de ladite lumière qui pénètrent dans le matériau electro-optique par application à celui-ci d'une tension de polarisation. L'invention a également pour objet un modulateur de lumière constitué par un premier milieu transparent présentant un premier indice de réfraction destiné à servir de guide à la lumière et disposé entre un second et un troisième milieux transparents d'indices de réfraction inférieurs à celui du premier milieu caractérisé en ce que lwun au moins desdits second et troisième milieux est en matériau électro-optique, une source de tension étant connectée audit matériau électro-optique. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 est une vue partielle en coupe d'un guide de lumière constitué de deux matériaux d'indices de réfraction différents la Fig. 2 est une vue, en coupe longitudinale, du guide de la Fig. 1, montrant le mode de propagation de la lumière dans ce guide la Fig. 3 est une vue partielle en coupe dlun guide de lumière de trois matériaux d'indices différents ; et la Fig. 4 est une vue schématique, en perspective, d'un modulateur de lumière suivant l'invention. En se reportant tout d'abord à la Fig. 1, l'ensemble rdpré- senté comporte un premier milieu 1 d'indice de réfraction nl Ce premier milieu constitue un guide de lumière et est enrobé dans un second milieu 2 d'indice de réfraction nO . En considérant la Fig. 2, on constate que, du point de vue de l'optique géométrique, une onde lumineuse 3 est guidée dans le milieu 1 par suite des réflexions totales sur les surfaces 4 et 5 de séparation des milieux 1 et 2. Cependant, la discontinuité qui existe entre les indices n1 et nO des milieux 1 et 2 entraîne la formation d'ondes évanescentes 6 dans le milieu 2. Or, on a constaté que la propagation de la lumière dans le milieu 1 peut être modifiée en faisant varier le taux d'ondes évanescentes dans le milieu 2. I1 suffit, à cet effet, de pouvoir faire varier l'indice de réfraction n Une telle variation est obtenue en choisissant, pour constituer le milieu 2, un matériau électro-optique. En se référant à la Fig. 3, on constate que le matériau électro-optique 2 n'est en contact avec le matériau 1 constituant le guide de lumière que sur une face de celui-ci, son autre face étant en contact avec l'air qui constitue une région 3. La région 2 en matériau électro-optique est constituée par du niobiate de lithium Li NbO3 , dont l'indice de réfraction n = 2,286; son indice de réfraction ne, égal à 2,200, peut être o modifié par application d'une tension de polarisation à la région 2. La région 1 est constituée par du Ta 205 d'indice de réfraction nl t 2,213. La région 3 est constituée par l'air d'indice de réfraction n2 = 1,000. Le mode de propagation choisi est le mode TE de longueur o o d'onde X = 6328 A Le modulateur suivant l'invention, représenté à la Fig. 4, comprend une lame 7 d'oxyde de tantale Ta205 qui constitue le guide de lumière, la lame 7 étant disposée sur un substrat 8 de LiNbO3 Les axes principaux du LiNbO3 sont Oxl ' 0x2 ' 3 . Une source 9 de tension de polarisation est connectée au substrat 8, de manière à engendrér, dans celui-ci, un champ electrique de modulation E parallèle à l'axe 0x3 Le mode TE est propagé dans la direction xl Le niobiate de lithium LiNbO3 a été choisi pour les raisons suivantes - il présente des coefficients électro-optiques importants - l'indice ne est très voisin de l'indice nl du Ta205 ; - il appartient au groupe de symétrie 3m et permet donc d'obtenir une variation d'indice par une onde polarisée, parallèlement à un axe principal et au champ électrique de modulation, ce qui est nécessaire dans une géométrie simple telle que celle adoptée dans l'exemple de la Fig. 4. Une onde lumineuse est guidée dans le milieu 1 (Fig. 3) si les conditions suivantes sont satisfaites a) nl > n0 , nl > n2 b) 2b1W - 2 #P10 - 2 "12 = 2 m# dans laquelle m = ordre du mode b12 = K2n 2 ss2 W = épaisseur de la région 1 constituant le guide tg #10 = Po 12 ; tg #12 b = P2 (ondes TE) b1 b1 (ondes TM) P0 = ss - (kn0) P2 = ss - (Kn2) K = vecteur d'onde de la lumière dans le vide ss = constante de propagation de la lumière guidée. Pour obtenir un changement de phase de Tr de l'onde qui se propage dans le guide, l'expérience et le calcul montrent que, pour une longueur de propagation L = 1 cm dans le guide 7 et pour une largeur d = 1 mm du substrat électro-optique 8, on doit appliquer à celui-ci une tension de 200 V. Les ondes lumineuses sont introduites dans le guide 7 par interpositipn entre une source de lumière et le guide d'un prisme de couplage par ondes évanescentes, d'un réseau de diffraction ou par modification de ia forme du guide dans la région d'incidence de la lumière. Les avantages que présente le modulateur de lumière suivant l'invention, vis à vis des modulateurs de lumière connus, sont les suivants - Etant donné que les électrodes métalliques, au moyen desquelles la tension de polarisation est appliquée au milieu électro optique,ne sont plus en contact avec le matériau du guide'd'on- des proprement dit, l'absorption plus ou moins importante de la lumière au niveau de ces électrodes est évitée. - Dans la nouvelle technologie de l'optique intégrée, l'agencement suivant l'invention permet d'utiliser des matériaux électro optiques classiques tels que LiNbo3 , KDP , pour réaliser le substrat 8, matériaux que l'on arrive très difficilement à dé poser si on désire s'en servir comme matériaux de modulation et de guidage simultanés de la lumière. - Enfin, l'agencement suivant l'invention conduit à des géométries très simples et d'une grande efficacité. REVENDICATIONS 1. Procédé de modulation de la lumière se propageant dans un premier milieu présentant un premier indice de réfraction et situé entre un second et un troisième milieu d'indices de réfractions inférieurs à celui dudit premier milieu ; l'un au moins desdits second et troisième milieuxétant constitué par un matériau électrooptique réfléchissant totalement ladite lumière à l'interface avec ledit premier milieu, caractérisé en ce qu'il consiste à induire dans ledit matériau électro-optique un champ électrique capable d'agir sur les ondes évanescentes induites dans ledit matériau électro-optique par la réflexion totale de ladite lumière. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit champ électrique est induit dans ledit matériau électrooptique suivant une direction normale à la direction de propagation de la lumière et sensiblement parallèle audit interface. 7. Modulateur de lumière, constitué par un premier milieu transparent présentant un premier indice de réfraction destiné à servir de guide à la lumière et disposé entre un second et un troisième milieu transparent d'indices de réfraction inférieurs à celui du premier milieu ; l'un au moins desdits second et troisième milieux étant constitué par un matériau électro-optique réfléchissant totalement ladite lumière à l'interface avec ledit premier milieu, caractérisé en ce que des moyens de polarisation électrique (9) induisent dans ledit matériau électro-optique un champ électrique (ss) capable d'agir sur les ondes évanescentes induites dans ledit matériau électro-optique par la réflexion totale de ladite lumière. 4. Modulateur de lumière suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit champ électrique est induit dans ledit matériau électro-optique suivant une direction normale à la direction de propagation de la lumière et sensiblement parallèle audit interface. 5. Modulateur de lumière suivant l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte une lame (7) d'un matériau présentant le premier indice de réfraction, placée sur un substrat (8) en matériau électro-optique, la face de la lame (7) opposée au substrat (8) étant en contact avec l'air qui constitue le milieu présentant ledit troisième indice de réfraction. 6. Modulateur de lumière suivant l'une quelconque des revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que le matériau électrooptique constituant ledit substrat est du niobiate de lithium LiNbO3, tandis que la lame (7) constituant le milieu de guidage de la lumière est réalisée en oxyde de tantale Ta205.