Brevet FR2912517A1 — publié le 20080815

DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN COMPOSANT OPTIQUE OU ELECTRO-OPTIQUE La présente invention se rapporte à un dispositif de commande d'un 5 composant optique ou électro-optique, et en particulier d'un composant optique ou électro-optique transparent aux longueurs d'onde dans le visible et l'infrarouge. Les composants électro-optiques à base de niobate de lithium sont très largement utilisés pour les applications à la modulation ou à la conversion de fréquence de faisceau laser. A titre d' exemple, dans une configuration optique guidée, les 10 composants à base de niobate atteignent des cadences de modulation de 40 Gbits à la longueur d'onde de 1.5 m et ils permettent en opto-hyperfréquences de moduler la porteuse optique à des fréquences de plusieurs dizaines de GHz. Ces matériaux sont également importants pour assurer la conversion efficace de la fréquence émise par une source laser en exploitant les coefficients non linéaires du 15 cristal (doublage de fréquence, conversion paramétrique, interactions en onde de volume, guidée ou par renversement périodique des domaines... ). On a représenté en figures 1 à 3 des exemples de composants électro-optiques du type de ceux auxquels se rapporte la présente invention. On a respectivement représenté sur ces figures les composants suivants : un modulateur électro-optique 1 en 20 figure 1, un cristal 2 qui est la siège d'interactions en ondes de volume, et qui devient une cavité laser si on dépose sur ses faces d'entrée et de sortie un revêtement réfléchissant et transmissif 3, 4 respectivement, et en figure 3 un guide d'ondes optique 5. Une limitation connue de ces dispositifs est l'effet de changement d'indice 25 photoinduit par le faisceau d'illumination qui dégrade leurs performances, en particulier s'ils sont utilisés dans le visible ou le proche infrarouge. Le faisceau d'illumination génère un champ de charges d'espace qui module l'indice de réfraction du cristal, ce qui perturbe fortement la propagation du faisceau et réduit l'efficacité de modulation ou de conversion. On a schématisé en figure 4 cet effet sur un cristal électro-optique 6 30 pouvant être utilisé en guide d'ondes, modulateur ou dispositif de conversion de longueur d'onde. Le faisceau optique d'entrée 7, collimaté à l'entrée du cristal 6, et qui devrait normalement se propager de façon sensiblement rectiligne dans ce cristal, en donnant un faisceau de sortie 8 rectiligne ou légèrement divergent, devient un faisceau de sortie 9 fortement divergent à cause de cet effet de changement d'indice. Sous le schéma du cristal 6, on a représenté en correspondance le diagramme d'évolution de l'indice de réfraction de ce cristal dans son sens longitudinal. Cet indice, qui a normalement une valeur no tout le long du cristal, subit une variation locale de An, sensiblement au milieu de la longueur L du cristal 6, là où le champ de charges d'espace est le plus concentré. Par traitement du matériau , en particulier par dopage Mg et utilisation de substrats stoechiométriques, les seuils de dommages sont plus élevés. Néanmoins, ils restent une limitation en régime impulsionnel et dans le visible pour le domaine spectral bleu û vert. Une solution alternative également utilisée consiste à chauffer le cristal et à maintenir sa température constante pour réduire l'effet de charges d'espace . La présente invention a pour objet un dispositif de commande d'un composant optique ou électro-optique, et en particulier d'un composant optique ou électro-optique transparent aux longueurs d'onde dans le visible et l'infrarouge, dispositif qui permette d'éliminer ou tout au moins d'atténuer fortement les effets dus aux charges d'espace dans ce composant. Le dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une source de rayonnement émettant dans le domaine spectral bleu ou ultraviolet couplée avec le composant optique ou électro-optique. De façon avantageuse, ladite source de rayonnement est une source incohérente. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 à 3, déjà décrites ci-dessus, sont des schémas simplifiés d'exemples de composants optiques ou électro-optiques qui peuvent être les sièges des phénomènes de charges d'espace précités et auxquels peut être appliqué le dispositif de l'invention, 5 10 15 :20 :25 :30 - la figure 4 est un schéma simplifié d'un composant électro-optique pour lequel on a représenté de façon simplifiée les effets desdits phénomènes de charges d'espace, les figures 5 à 7 sont des vuès simplifiées de côté de composants électro-optiques munis d'un dispositif conforme à l'invention, et - la figure 8 est une vue simplifiée en perspective d'un coupleur optique muni d'un dispositif conforme à l'invention. La présente invention est décrite ci-dessous en référence à sa mise en oeuvre pour quelques types de composants optiques et électro-optiques, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à ces seuls exemples, et qu'elle peut être appliquée à toutes sortes de composants optiques, assurant une fonction électro-optique ou une fonction optique non linéaire, qui sont transparents dans les longueurs d'onde du visible et de l'infrarouge, utilisés à ces longueurs d'onde et pouvant être le siège des phénomènes photoréfractifs gênants de création de charges d'espace. Les matériaux constituant ces composants sont, en particulier, mais non exclusivement, de la famille des LiNbO3, KNbO3, SBN, KTP.... et sont souvent des matériaux ferro-électriques. On a représenté en figure 5 un composant optique 10 du type auquel s'applique l'invention, par exemple un guide d'ondes optique. Ce composant 10 reçoit un flux lumineux incident 11 continu ou =pulsionnel ayant une longueur d'onde dans le visible ou l'infrarouge. Un dispositif 12 à sources d'éclairement incohérent illumine le composant 10. Dans le cas représenté sur la figure, les sources du dispositif 12 sont des diodes électro-luminescentes (LED) émettant dans le bleu ou l'ultraviolet proche (longueur d'onde supérieure à environ 350 nm) et elles éclairent le composant par le côté, de préférence sur toute sa longueur et de façon uniforme. La puissance optique délivrée par ces diodes est, de préférence, supérieure à 10 mW/cm2 au niveau de la surface éclairée du composant. Cette puissance est avantageusement de l'ordre de 10 à 100 mW/cm2 afin d'avoir une profondeur de pénétration dans le composant d'au moins 1.00 m (dans le cas d'un composant classique d'une épaisseur de quelques =O. Cet éclairage permet de supprimer 10 15 20 25 :30 rapidement tout effet de dommage optique crée par la longueur d'onde d'utilisation du faisceau 11. En d'autres termes, le champ photoinduit parasite est à chaque instant relaxé par celui dû à l'éclairement incohérent des LED. Le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention peut être décrit comme suit. Sous l'action de l'éclairement dû au faisceau laser 11, il se crée un champ de charges d'espace E dans le volume, ou en surface, dont la valeur à saturation est donnée par la relation : E=(3I/a avec a=ao+aI Dans cette expression, est la constante photovoltaïque du cristal, a la photoconductivité du matériau sous illumination I exprimée en W/cm2, ao est la valeur de cette photoconductivité dans l'obscurité. Dans ces conditions, il est connu que la constante de temps d'établissement du champ E dans un cristal tel que le niobate de lithium ( ou autre matériau équivalent) est de l'ordre de grandeur de T, T étant la constante de temps de relaxation diélectrique du matériau : T= /a La valeur du champ photoinduit E dépend des matériaux utilisés, de la longueur d'onde du faisceau laser 11 et de la densité résiduelle de pièges responsables de l'effet photoréfractif. Elle peut atteindre à saturation des valeurs aussi élevées que 5 à 10 kVcm-1. Cette valeur peut conduire, suivant l'amplitude du coefficient électro-optique, à des variations d'indice de l'ordre de 104 à 10"3 typiquement. Les temps d'établissement sont de l'ordre de plusieurs dizaines de secondes, voire de quelques heures suivant l'absorption résiduelle et le niveau d'éclairement I. Dans le cas d'un éclairement incohérent bleu/UV (UV pour : ultraviolet) superposé à la région active du dispositif, il est connu que cette longueur d'onde induit dans le niobate, au voisinage de sa bande d'absorption, un effet de photoconduction important. En d'autres termes, sous éclairement homogène bleu/UV, le terme de photoconduction a lb (photoconduction pour le bleu ou l'ultraviolet) devient prépondérant et grand devant le terme à I (photoconduction pour le visible ou le proche infrarouge) . Le temps de réponse de 1' effet associé à la relaxation de la charge d'espace par faisceau bleu / UV est typiquement de l'ordre d'une fraction de seconde. Dans ces conditions, on va relaxer rapidement le champ de charge d'espace parasite photoinduit par l'illumination I visible ou I infrarouge. L'éclairement incohérent s'oppose ainsi à la création de toute variation d' indice susceptible de perturber la propagation du champ optique en régime focalisé ou guidé, et de ce fait maintient le fonctionnement du dispositif. A titre d'exemple, on donne sur les figures 6 et 7 différentes configurations optiques intégrant un dispositif de modulation ou de conversion de fréquence (typiquement en niobate ou tantalate de lithium, KTP, niobate de potassium...) et le dispositif d' éclairage issu de LED émettant dans le bleu ou proche UV, domaine spectral où le cristal présente un maximum de photoconductivité. Le système d'éclairage peut mettre en oeuvre des éléments optiques classiques tels que diffuseurs, réseaux de micro-optiques pour assurer à la fois la collection de lumière issue de chaque LED ainsi que l'uniformité de l'éclairage du volume concerné autour de la zone de propagation du faisceau qui est à 1' origine de l'effet de dommage optique. L'ensemble peut être réalisé sous une forme compacte et robuste fonctionnant à température ambiante. On a représenté en figure 6 un composant optique 13 éclairé à la fois transversalement sur toute sa longueur par un ensemble 14 de LED et longitudinalement par deux LED 15, 16 associées respectivement à deux miroirs semi-transparents 17, 18 disposés à 45 sur l'axe optique du composant 13, à son entrée et à sa sortie. De cette façon, le composant 13 reçoit une illumination de relaxation de charges dans son coeur et dans sa partie périphérique. Le guide d'ondes 19 représenté en figure 7 est éclairé transversalement par un réseau diffuseur 20 qui est disposé parallèlement à l'axe optique du guide 19 et dont la longueur est sensiblement la même que celle du guide 19. Le réseau 19 est éclairé en bout par une LED 21. Le dispositif de l'invention peut être mis en oeuvre dans de nombreuses applications. On en décrit ci-dessous quelques-unes. 5 10 15 20 25 30 Le dispositif de l'invention est bien adapté aux applications qui mettent en oeuvre des longueurs d'ondes du domaine visible ou proche infrarouge dont le niveau de puissance moyenne est tel qu'il génère des effets de dommage optique. On citera en particulier : les modulateurs électro-optiques, les convertisseurs de fréquence en onde guidée ou en volume. Plus précisément, on appliquera ce dispositif à l'optohyperfréquence (domaine relatif aux dispositifs optiques associés à des circuits hyperfréquences), et à l'optronique en général: génération de nouvelles fréquences pour un LIDAR, sources de contre-mesures, sources accordables du type oscillateurs paramétriques, composants exploitant le renversement périodique des domaines dans les cristaux ferroélectiques.... Le principe s'applique aux sources continues ou impulsionnelles dans la mesure où l'effet de dommage est cumulatif avant d'atteindre sa valeur à saturation. La présente invention s'applique à tous les matériaux optiques non linéaires : ferroélectriques, semiconducteurs, organiques.... dans la mesure où l'on adaptera la longueur d'onde de la source incohérente (ou éventuellement cohérente) au voisinage du maximum de photoconductivité du matériau concerné. Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, celui-ci trouve aussi des applications dans tout autre dispositif électro-optique qui demande d'ajuster son point de fonctionnement par une commande optique induisant une variation d'indice très localisée. On décrit brièvement ci-dessous quelques exemples de tels dispositifs : - Une première application est un interféromètre Fabry-Pérot constitué d'un matériau ferroélectrique. Pour un coefficient de surtension élevé de cavité, le champ électrique interne peut être important et par voie de conséquence, en présence d'un effet photoréfractif, on observe une modification dans le temps des propriétés spectrales (filtrage, accordabilité, voire effet mémoire (bi-stabilité) ...). Grâce à un rayonnement UV incohérent conforme à l'invention, on peut éliminer la manifestation de cet effet. - Inversement, en présence d'une source cohérente UV/bleu, on peut modifier l'indice de réfraction effectif et commander l'état de l'interféromètre opérant dans un autre domaine spectral (par exemple dans le domaine de longueurs d'onde compris 10 15 20 25 entre 800 et 1500 nm, afin d'optimiser les propriétés d'un coupleur ou d'un interféromètre. -En commande optique, on peut également intégrer le contrôle optique pour le substituer à une commande électrique. Un exemple en est le coupleur linéaire. Dans ce cas, il suffit d'agir par exemple sur un de ses bras pour modifier l'indice de réfraction d'un des guides le constituant. Ceci se traduit par un basculement de l'état de sortie du coupleur. On a représenté en figure 8 une LED 22 éclairant un coupleur optique 23. Ce coupleur comporte essentiellement deux guides d'ondes 24, 25. Ces guides d'ondes comportent chacun un bras d'entrée (26, 27, respectivement) et un bras de sortie (28, 29, respectivement) et se rapprochent l'un de l'autre dans la zone centrale 30 du coupleur en y étant parallèles entre eux. On explique ci-dessous en référence à la figure 8 l'effet d'une commande optique par la diode UV 22 éclairant, dans là zone centrale 30, l'un des guides, en l'occurrence le guide 24, de la façon suivante :' - en l'absence de rayonnement UV, le coupleur peut être désadapté, c'est-à-dire que l'un des deux guides le constituant présente des paramètres opto-géométriques (optiques et géométriques ) différents de ceux de l'autre. - en présence du rayonnement UV, on modifie localement l'indice de réfraction, ce qui entraîne une variation du transfert et donc celle des puissances optiques issues de chacun des guides. On peut ainsi soit égaliser les niveaux de puissance, soit au contraire réaliser une fonction de commande optique aboutissant à la réalisation d'un codage temporel lié à la modulation de la diode d'éclairement 22. Dans la configuration représentée sur la figure 8 (injection sur un seul bras), l'évolution de la puissance de sortie optique a(z), évolution conditionnée par l'éclairement UV sur une distance de propagation z (dans la zone 30) varie selon la loi : la(Z)I2 = la(0)I2 8 K 1 0,132 sine 4 +K2 /i 0/32 +K2 Z 4 2 où a(0) est l'éclairement incident et a(z) l'éclairement à la sortie du bras 28, Af3 représente le désaccord de phase entre les deux structures qui constituent le coupleur et x représente le coefficient de couplage entre les guides (coefficient qui est fonction de l'espacement des guides, de la répartition des champs associés aux deux modes fondamentaux associés à chaque guide). Le fait d'illuminer en UV un seul des deux guides (ou d'une manière inhomogène les deux guides) va conduire à modifier le A P ainsi que x , ce qui permet de modifier le comportement du coupleur (c'est-à-dire la valeur du couplage entre ses deux bras). 15 20 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un composant électro-optique ou optique transparent aux longueurs d'onde dans le visible et/ou l'infrarouge, caractérisé en ce qu'il comporte une source de rayonnement (12, 14, 20-21, 22) émettant dans le domaine spectral bleu ou ultraviolet et couplée avec le composant optique ou électro-optique (10, 13, 19, 23). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de rayonnement est une source incohérente dont la longueur d'onde est adaptée au voisinage du maximum de photoconductivité du matériau du composant. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de rayonnement est une source cohérente dont la longueur d'onde est adaptée au voisinage du maximum de photoconductivité du matériau du composant. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant est un composant assurant une fonction électro-optique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composant est un composant assurant une fonction optique non linéaire. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau constituant le composant est un matériau optique de la famille des LiNbO3, KNbO3, SBN, KTP ou un matériau ferro-électrique, semiconducteur ou organique. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance optique délivrée par la source de rayonnement émettant dans le domaine spectral bleu ou ultraviolet est supérieure à 10 mW/cm2 au niveau de la surface éclairée du composant. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant est l'un au moins des composants suivants : un guided'ondes, un coupleur électro-optique, un modulateur électro-optique, un cristal qui est la siège d'interactions en ondes de volume, une cavité laser, un dispositif de conversion de longueur d'onde optique, un Lidar, une source de contre-mesures, un oscillateur paramétrique, un composant exploitant le renversement périodique des domaines dans les cristaux ferroélectiques, un interféromètre Fabry-Pérot constitué d'un matériau ferroélectrique. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est substitué au dispositif de commande électrique d'un composant électro-optique.