Brevet FR2725048A1 — publié le 19960329

DISPOSITIF DE MODULATION DE PHASE UTILISANT L'EFFET ELECTROCLINIQUE DANS UN CRISTAL LIQUIDE EN PHASE CHIRALE SMECTIQUE A* DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif de modulation de phase utilisant l'effet électroclinique. dans un cristal liquide en phase chirale smectique A*. Elle s'applique notamment à la fabrication de filtres optiques accordables et de modulateurs par réflexion, qui sont en particulier utilisables dans le domaine des télécommunications optiques. On connaît déjà un filtre optique accordable, utilisant un cristal liquide nématique, par le document suivant auquel on se reportera (1) K. HIRABAYASHI, H. TSUDA et T. KUROKAWA, "Tunable liquid crystal Fabry-Perot interferometer filter for wavelength division multiplexing communication systems", J. of Lightwave Technol., vol.1l, p.2033 2043, 1993. Ce filtre optique connu présente l'inconvénient d'avoir une faible vitesse de commutation. On connaît aussi un autre filtre optique accordable, utilisant un cristal liquide ferroélectrique, par le document suivant auquel on se reportera (2) J.S. Patel, "Electrically tunable ferroelectric liquid crystal Fabry-Perot filter", Optics Letters, vol.17, n 6, 1992. Cependant cet autre filtre connu ne présente que deux états stables et a donc seulement deux positions d'accord. De plus, il est sensible à la direction de polarisation d'un faisceau lumineux incident. On connait en outre un dispositif de modulation de phase, utilisant un cristal liquide en phase chirale smectlque A*, par le document suivant auquel on se reportera (3) A. Sneh, J.L. Liu, K.M. Johnson, "High-Speed analog refractive-index modulator that uses a chiral smectic liquid crystal", Optics Letters, vol.19, n"4, 1994. Ce dispositif de modulation de phase connu a une grande vitesse de commutation. Cependant, il présente aussi l'inconvénient d'être sensible à la direction de polarisation d'un faisceau lumineux incident. En outre, la couche de cristal liquide de ce dispositif de modulation de phase n'est sujette qu'à de faibles variations d'indice optique du fait que cette couche de cristal liquide est perpendiculaire au faisceau lumineux incident. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dispositif de modulation de phase qui est insensible à la direction de polarisation d'un faisceau lumineux incident et, selon un mode de réalisation particulier, un filtre optique accordable dont la vitesse de commutation est grande et qui est accordable dans une large gamme de longueurs d'onde. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de modulation de phase, caractérisé en ce qu'il comprend deux cellules à cristal liquide placées l'une à la suite de l'autre et comprenant chacune - une couche de cristal liquide en phase chirale smectique A*, qui est comprise entre deux plaques transparentes et électriquement isolantes et qui est orientée de façon homéotrope, et - une paire d'électrodes transparentes, aptes à créer, dans la couche correspondante, un champ électrique parallèle aux plaques correspondantes lorsqu'une tension électrique est appliquée entre les électrodes de cette paire, et en ce que l'orientation relative des deux cellules est telle que les champs électriques correspondants soient perpendiculaires, de manière à modifier les indices de réfraction des couches vis-à-vis de lumières dont les directions de polarisation sont perpendiculaires. Le dispositif de modulation de phase objet de l'invention est ainsi insensible à la polarisation d'une lumière incidente. De préférence, les couches de cristal liquide ont la même épaisseur. Ainsi, il n'y a pas besoin d'effectuer un étalonnage du dispositif pour compenser la différence des trajets optiques de la lumière dans ces couches, pour des champs électriques identiques respectivement créés dans les cellules. Il est également préférable que la distance entre les deux électrodes de chaque paire soit inférieure ou égale à environ 10 rum. On évite ainsi d'avoir à utiliser des tensions électriques trop élevées pour le fonctionnement du dispositif. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les deux cellules sont parallèles l'une à l'autre. Dans ce cas, les deux couches de cristal liquide sont de préférence placées de part et d'autre d'une même plaque transparente et électriquement isolante. On simplifie ainsi le dispositif et celuici est également plus compact. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de invention, les deux cellules sont inclinées d'un même angle respectivement par rapport aux directions de polarisation dont il a été question plus haut. On augmente ainsi la variation d'indice optique par rapport au mode de réalisation particulier mentionné plus haut. De préférence, ce même angle vaut 45". On obtient ainsi la variation d'indice optique la plus grande. Le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre deux miroirs parallèles délimitant une cavité de Fabry-Perot et respectivement placés de part et d'autre des deux cellules à cristal liquide. On obtient ainsi un filtre optique accordable. Selon un autre mode de réalisation particulier, le dispositif comprend en outre un miroir placé d'un côté de l'ensemble des deux cellules à cristal liquide. Dans ce cas, on obtient un modulateur fonctionnant par réflexion. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 sont des vues schématiques et partielles de modes de réalisation particuliers du dispositif objet de l'invention, dans lesquels les cellules à cristal liquide sont parallèles et qui constituent des filtres optiques, la figure 3 est une vue schématique et partielle d'un autre mode de réalisation particulier, dans lequel les cellules à cristal liquide sont inclinées et qui constitue aussi un filtre optique, la figure 4 est une vue schématique et partielle d'un modulateur de phase conforme à l'invention, et la figure 5 est une vue schématique et partielle d'un dispositif conforme à 1 ' invention qui constitue un modulateur fonctionnant par réflexion. Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 1, constitue un filtre optique accordable et comprend deux miroirs parallèles 2 et 4, qui délimitent une cavité de Fabry-Perot et qui sont par exemple des miroirs diélectriques à grand coefficient de réflexion (par exemple de l'ordre de 95E). De plus, le filtre optique comprend, entre les deux miroirs 2 et 4, deux cellules à cristal liquide 5 et 8 placées l'une à la suite de l'autre. La cellule 6 comprend deux plaques parallèles 10 et 12, qui sont électriquement isolantes et transparentes à la lumière à filtrer (elles sont par exemple en verre) et, entre ces plaques, une couche 14 de cristal liquide en phase chirale smectique A*. La cellule 8 comprend aussi deux plaques parallèles 16 et 18, qui sont électriquement isolantes et transparentes à la lumière à filtrer (elles sont par exemple en verre) et, entre ces plaques, une couche 20 de ce cristal liquide en phase chirale smectique A*. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, les plaques 10, 12, 16 et 18 sont parallèles les unes aux autres (on peut dire que les cellules sont parallèles) ainsi qu'aux miroirs 2 et 4, la plaque 10 étant la plus proche du miroir 2 tandis que la plaque 18 est la plus proche du miroir 4. La cellule 6 comprend également deux électrodes 22 et 24 transparentes à la lumière à filtrer et permettant de créer, dans la couche 14, un champ électrique parallèle aux plaques 10 et 12 lorsqu'une tension électrique est appliquée entre ces électrodes 22 et 24. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, les électrodes 22 et 24 sont formées sur la plaque 10. Ces deux électrodes 22 et 24 forment deux bandes parallèles espacées l'une de l'autre. La cellule 8 comprend également deux électrodes 26 et 28 transparentes à la lumière à filtrer et permettant de créer, dans la couche 20, un champ électrique parallèle aux plaques 16 et 18, lorsqu'une tension électrique est appliquée entre ces électrodes 26 et 28. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, ces électrodes 26 et 28 sont formées sur la plaque 16. Ces deux électrodes 26 et 28 forment deux bandes parallèles espacées l'une de l'autre. De plus, chacune des couches de cristal liquide 14 et 20 est orientée de façon homéotrope. Ceci signifie qu'en l'absence de tension électrique entre les électrodes 22 et 24, les molécules de la couche de cristal liquide 14 sont quasiment perpendiculaires aux plaques 10 et 12 et qu'en l'absence de tension électrique entre les électrodes 26 et 28, les molécules de la couche de cristal liquide 20 sont quasiment perpendiculaires aux plaques 16 et 18. Pour obtenir cette orientation homéotrope, ou alignement homéotrope, les parois des plaques 10 et 12, qui sont destinées à être en contact avec le cristal liquide, et les parois des plaques 16 à 18, qui sont également destinées à être en contact avec le cristal liquide, sont préalablement traitées au moyen d'une substance surfactante comme par un exemple un polysilane. On n'a pas représenté sur la figure 1 les moyens de commande du filtre optique conforme à l'invention, c'est-à-dire les moyens permettant d'appliquer une tension électrique variable entre les électrodes 22 et 24 ainsi qu'une tension électrique variable entre les électrodes 26 et 28. Dans chacune des cellules 6 et 8 est mis en oeuvre l'effet électroclinique qui est un basculement des molécules de la couche de cristal liquide correspondante sous l'influence d'un champ électrique appliqué entre les deux électrodes de cette cellule. On choisit un cristal liquide permettant d'obtenir un effet électroclinique rapide, c'est-à-dire un basculement rapide des molécules de cristal liquide, en quelques microsecondes. A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise le mélange 764E commercialisé par la société Merck. Les cellules 6 et 8 du filtre représenté sur la figure 1 sont orientées l'une par rapport à l'autre de façon que le champ électrique susceptible d'être créé dans l'une des cellules soit perpendiculaire au champ électrique susceptible d'être créé dans l'autre cellule. Pour ce faire, on oriente la cellule 6 par rapport à la cellule 8 de manière que chacune des électrodes 22 et 24 soit perpendiculaire à chacune des électrodes 26 et 28. Sur la figure 1, on a représenté par une flèche 30 un faisceau lumineux que l'on veut filtrer grâce au filtre représenté sur cette figure. Ce faisceau se propage suivant un axe Oz qui est perpendiculaire aux miroirs 2 et 4 et aux plaques 10, 12, 16 et 18. On considère un trièdre trirectangle Oxyz où l'axe Ox est parallèle au champ électrique susceptible d'être créé dans la cellule 6 tandis que l'axe Oy est parallèle au champ électrique susceptible d'être créé dans la cellule 8. Le faisceau 30 pénètre dans le filtre à travers le miroir 2. On a représenté par une flèche 32 le faisceau lumineux filtré qui sort du filtre à travers le miroir 4. La mise en cascade des deux cellules 6 et 8 dans la cavité de Fabry-Perot rend cette dernière insensible à la direction de polarisation d'un faisceau lumineux incident. En effet, les cellules 6 et 8 permettent de maîtriser l'indice optique dans deux directions perpendiculaires l'une à l'autre et l'on obtient ainsi un filtre optique insensible à la direction de polarisation du faisceau lumineux incident. Ceci signifie que, quelle que soit la direction de polarisation de ce faisceau (polarisé rectilignement) le filtre conserve la même efficacité. Etant donné le faisceau incident 30 polarisé rectilignement par des moyens appropriés non représentés, on peut décomposer le vecteur représentatif de cette polarisation en deux composantes, l'une de ces composantes étant parallèle à l'axe Ox et l'autre composante étant parallèle à l'axe Oy. Lorsqu'un champ électrique Ex est créé dans la couche de cristal liquide 14 grâce aux électrodes 22 et 24 de la cellule 6, l'indice optique de cette couche de cristal liquide 14 est modifié pour la composante qui est parallèle à l'axe Ox (mais pas pour celle qui est parallèle à l'axe Oy). De même, en créant un champ électrique Ey, ayant la même intensité que le champ Ex, dans la couche de cristal liquide 20 grâce aux électrodes 26 et 28 de la cellule 8, l'indice optique de cette couche de cristal liquide 20 est modifié pour la composante qui est parallèle à l'axe Oy (mais pas pour celle qui est parallèle à l'axe Ox). On précise que les moyens permettant de maintenir les miroirs et les cellules dans la bonne position relative ne sont pas représentés sur la figure 1 (ni sur les figures 2 à 5). Dans l'exemple schématiquement représenté sur la figure 1, les couches de cristal liquide 14 et 20 ont la même épaisseur car si ce n'était pas le cas il faudrait effectuer un étalonnage pour compenser la différence des trajets optiques du faisceau lumineux dans les cellules, à champs électriques identiques. Pour obtenir une inclinaison de l'ordre de 14" des molécules de cristal liquide il convient d'appliquer un champ électrique de l'ordre de 20V/um à ce cristal liquide. Afin d'éviter l'utilisation de tensions électriques trop élevées, la distance entre les électrodes 22 et 24 et la distance entre les électrodes 26 et 28 est alors choisie de l'ordre de 10 um ou moins. La variation d'indice optique est de l'ordre de 10-2 pour une telle inclinaison de l'ordre de 14 . L'exemple de réalisation schématiquement représenté sur la figure 2 diffère simplement de celui qui est schématiquement représenté sur la figure 1 par le fait que la plaque 12 est supprimée dans le filtre de la figure 2. La couche de cristal liquide 14 est alors comprise entre la plaque 10 et la plaque 16. La paroi de la plaque 16, qui est en regard de la couche de cristal liquide 14, est préalablement traitée de façon appropriée pour obtenir l'alignement homéotrope de cette couche de cristal liquide 14. Le filtre optique conforme à l'invention qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 2 est plus compact que celui de la figure 1. La figure 3 illustre de façon schématique et partielle une variante de réalisation du filtre optique conforme à l'invention de la figure 1. Dans le cas de la figure 3, les cellules sont inclinées par rapport à l'axe Oz de propagation du faisceau lumineux à filtrer, pour augmenter la variation d'indice optique et donc obtenir une plus grande modulation d'indice optique que dans le cas des figures 1 et 2. Plus précisément, dans le cas de la figure 3, - les miroirs 2 et 4 sont encore perpendiculaires à l'axe Oz, - les plaques 10 et 12 de la cellule 6 restent parallèles à l'axe Oy mais font un angle a avec le plan xOy, et - les plaques 16 et 18 de la cellule 8 restent parallèles à l'axe Ox mais font le même angle a avec le plan xOy. La cellule 6 agit encore sur la polarisation selon l'axe Ox et la cellule 8 agit encore sur la polarisation selon l'axe Oy. On choisit de préférence l'angle a égal à 450 pour obtenir la variation maximale d'indice optique par rapport au cas des figures 1 et 2. Dans cette configuration, la variation d'indice optique est de l'ordre de 3x10-2 pour l'inclinaison de l'ordre de 14" mentionnée plus haut. Le dispositif conforme à 1 ' invention, qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 4, constitue un modulateur de phase fonctionnant par transmission. Il est identique au dispositif représenté sur la figure 1 excepté qu'il ne comprend pas les miroirs 2 et 4. Le faisceau lumineux 30, dont la phase est à moduler, pénètre dans le dispositif par la plaque 10. Le faisceau lumineux 32 qui sort du dispositif par la plaque 18 représente dans le cas présent le faisceau dont la phase a été modulée (par application de tensions électriques appropriées entre les électrodes de chaque cellule à cristal liquide) Bien entendu, on obtient encore un modulateur de phase fonctionnant par transmission en utilisant le dispositif de la figure 2 (ou celui de la figure 3) privé des miroirs 2 et 4. Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 5, constitue un modulateur de phase fonctionnant ar réflexion. Il est identique au dispositif représenté sur la figure 1 escepté qu'il ne comprend pas le miroir 2. Le dispositif lumineux 30, dont la phase est à moduler, pénètre dans le dispositif par la plaque 10. Du fait de la présence du miroir 4, le faisceau lumineux 32, dont la phase a été modulée (par application de tensions électriques appropriées entre les électrodes de chaque cellule à cristal liquide), sort du dispositif par cette même plaque 10. Bien entendu, on obtient encore un modulateur de phase fonctionnant par réflexion en utilisant le dispositif de la figure 2 (ou celui de la figure 3) privé du miroir 2. REVEND I CAT IONS 1. Dispositif de modulation de phase, caractérisé en ce qu'il comprend deux cellules à cristal liquide (6; 8) placées l'une à la suite de l'autre et comprenant chacune - une couche (14; 20) de cristal liquide en phase chirale smectique A*, qui est comprise entre deux plaques transparentes et électriquement isolantes (10, 12 ou 16; 16, 18) et qui est orientée de façon homéotrope, et - une paire d'électrodes transparentes (22, 24; 26, 28), aptes à créer, dans la couche correspondante, un champ électrique parallèle aux plaques correspondantes lorsqu'une tension électrique est appliquée entre les électrodes de cette paire, et en ce que l'orientation relative des deux cellules (6; 8) est telle que les champs électriques correspondants soient perpendiculaires, de manière à modifier les indices de réfraction des couches vis-àvis de lumières dont les directions de polarisation sont perpendiculaires. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de cristal liquide (14; 20) ont la même épaisseur. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la distance entre les deux électrodes (22, 24; 26, 28) de chaque paire est inférieure ou égale à environ 10 Wm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux cellules (6; 8) sont parallèles l'une à l'autre. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux couches de cristal liquide (14; 20) sont placées de part et d'autre d'une même plaque (16) transparente et électriquement isolante. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux cellules (6; 8) sont inclinées d'un même angle (a) respectivement par rapport auxdites directions de polarisation. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ce même angle (a) vaut 45". 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux miroirs parallèles (2, 4) délimitant une cavité de Fabry-Perot et respectivement placés de part et d'autre des deux cellules à cristal liquide (6; 8). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir (4) placé d'un côté de l'ensemble des deux cellules à cristal liquide (6; 8).