Brevet FR2560394A1 — publié le 19850830

DISPOSITIF MODULATEUR ELECT ROOP TIQUE COMPORTANT UNE FIBRE OPTIQUE. La présente invention décrit un dispositif modulateur électrooptique comportant une fibre à gaine piézoélectrique. 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. 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). 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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: 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. 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: 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. 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. 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. Pour résoudre ce problème deux solutions sont possibles. 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. 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. En effet, l'eff et piézoélectrique est une conséquence de l'effet élec trostrictif, lequel est autopolarisé par la polarisation rémanente. 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. - connecter entre les deux électrodes la source de tension de polarisation, et procéder à ropération de polarisation. - Popération de polarisation terminée, la source de tension de polarisation est alors remplacée par la source de tension de modulation. 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. 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 peut alors considérer différents exemples de mise en oeuvre. 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 Enfin, l'électrode externe peut à nouveau être obtenue par procède électroless, ou par surgainage de polymère conducteur. 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. 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. 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. Cette coupure 13 peut être réalisée en utilisant un dissolvant. Le dispositif l'invention peut être répété plusieurs fois le long d'une même fibre, comme représenté à la figure 7. Les électrodes du dispositif de l'invention peuvent avoir la forme d'une hélice. 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. 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. Cette variante du dispositif de l'invention permet alors d'obtenir une contrainte qui a une variation en hélice. REVENDICATIONS 1. Dispositif modulateur électrooptique comprenant une fibre qui comporte un coeur (1) et une gaine (4) optique en matériau piézoélectrique et deux électrodes extérieures (11,12) disposées sur la surface extérieure de cette gaine (4), une différence de potentiel (V) étant appliquée entre ces deux électrodes (11,12), caractérisé en ce qu'il comporte en outre une électrode interne (10) disposée entre le coeur (1) et la gaine (4) de ladite fibre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce matériau piézoélcctrique est un matériau polymère 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérise en ce que ce matériau polymère est du polyfluorure de vinylidène. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau piézoélectrique est un copolymère du polyfluorure de vinylidène 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ce copolymère est le polytétrafluoroéthylène. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce copolymère est le polytrifluoroéthylène. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce qu'une couche de polymere (14) isolant est déposée au dessus de la zone située entre les deux électrodes externe (li,12). 8. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'électrode interne est un ruban ayant la forme dune hélice enroulée autour du coeur (1) de la fibre. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes externes (11,12) sont deux rubans ayant la forme dune hélice enroulée autour de la gaine optique (4) de la fibre.