École Nat ionale Supér ieure des Té lécommunicat ions de Bretagne

Technopôle Brest-Iroise - CS 83818 - 29238 Brest cedex 3 - Francewww.enst-bretagne.fr - Tél. : 02 29 00 11 11 - Fax : 02 29 00 10 00

La technologie cristal liquide a connu un succès considérable au cours des années 70,dans le domaine de l’affichage, puis dans les années 90, dans celui des écrans plats(~100% des écrans de PC sont à cristal liquide). Cette technologie a largement pénétré denos jours de nombreux autres secteurs industriels et de la vie courante, notamment celuitrès High-Tech des télécommunications, avec la réalisation de filtres accordables, de com-mutateurs et de composants permettant de contrôler la polarisation de la lumière. De telscomposants sont présents aujourd’hui dans les équipements de ligne. Cette technologiequi offre de nombreux effets optiques, sous faible champ électrique, s’est avérée très com-pétitive dans ce secteur très exigeant, par son faible coût de fabrication, sa fiabilité et sacompatibilité avec d’autres technologies (circuits intégrés, guides et fibres optiques). Lescristaux liquides se sont aussi imposés dans d’autres domaines, plus proches du grandpublic, tels que la médecine avec, par exemple, le thermomètre frontal souple, où ils sontbien adaptés pour cartographier la température d’un corps ou d’objets divers (circuits élec-troniques, points chauds, défauts etc.). Ils sont aussi utilisés pour la fabrication de tissusou d’encres qui changent de couleur avec la température. Plus près de nous encore, ilssont à la base du cinéma 3D (voir le Futuroscope de Poitiers) et on les trouve dans la plu-part des vidéos projecteurs, sans oublier leur rôle clef dans les dispositifs de protectionindividuelle, tels que les systèmes d’anti-éblouissement (poste de soudure, sécurité auto-mobile). On commence à voir des développements dans des domaines prometteurs telsque les capteurs biologiques et la cosmétique (pigments à base de cristaux liquides).L’ingénierie physico-chimique n’est pas en reste avec le développement des Kevlar (unhybride cristal liquide polymère) à l’origine de multiples fibres légères et résistantes, utili-sées dans l’aéronautique, l’automobile et le bâtiment. Leur qualité de mésophase, étatintermédiaire entre phase cristalline et liquide, est à l’origine des propriétés spectaculairesqui en sont le principal atout. Les mystères qui régissent ces matériaux et en font leurincroyable beauté sont loin d’être épuisés ainsi que l’éventail de leurs multiples applica-tions.

Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye Juin 2006

Les cristaux liquides de nos jours

lettre brest 06 30/05/06 13:53 Page 1

HistoriqueLa recherche dans le domaine de l’ingénierie cristal liquide à l’ENST Bretagne débute à la fin desannées 80, avec l’application des matériaux FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) à différents problè-mes de traitement optique du signal (valve optique, corrélateur optique). L’objectif était alors d’ex-ploiter les temps de commutation rapides des phases smectiques pour réaliser des fonctionsdynamiques rapidement reconfigurables. Cette première approche a permis aux chercheurs dudépartement Optique de l’ENST Bretagne de se familiariser avec ces matériaux et de bien en maî-triser les principales caractéristiques technologiques. Cette maîtrise a conduit à réaliser rapide-ment des fonctions telles que des déflecteurs de faisceaux, des hologrammes numériques ou desfiltres polarisants.

Ces premiers résultats ont encouragé les chercheurs à étudier ces matériaux de façon plus appro-fondie à travers des fonctions plus élaborées comme des valves optiques à cristal liquide smecti-ques torsadés ou à étudier leur confinement dans des fibres optiques ou des guides planaires (e.g.réalisation d’un coupleur Mach-Zehnder à fibre).

Les succès obtenus ont alors conduit à généraliser cette démarche en sélectionnant davantage lesmatériaux en fonction des contraintes technologiques de leurs supports et des propriétés optiquesrecherchées.

Vers la fin des années 90, les études ont été étendues aux phases composites (polymère cristalliquide) du fait de leurs propriétés optiques intéressantes (diffuseur, modulation de phase isotrope)et de leur plus grande robustesse.

Applications pour les télécommunicationsLes premières applications ont naturellement porté sur la conception d’une gamme de fonctionspour les télécommunications, que la société Optogone (essaimage de l’ENST Bretagne et deFrance Télécom) a exploité sur un plan industriel, à partir de 2001. Deux fonctions ont été déve-loppées : un égaliseur dynamique de gain (DGE) et de canal et un contrôleur de polarisation rapideà base de nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) pour la compensation de PMD(Polarisation Mode Dispersion).

Les difficultés liées à la fabrication de fonctions à base de cristal liquide dans l’environnement trèscontraignant des télécommunications, telles que l’athermalisation (en développant de nouveauxmélanges), le coût de fabrication et la dépendance à la polarisation, ont conduit à un certain nom-bre d’innovations, comme par exemple la fabrication du premier DGE à base de PDLC et celle d’uncontrôleur de polarisation rapide, parmi les plus performants du marché. E

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15 ans d’ingénieriecristal liquideet d’innovation dans larecherche en optiqueà l’ENST Bretagne

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Nouveaux développementsAprès l’acquisition d’Optogone par MEMSCAP en décembre 2004, l’ENST Bretagne a choisid’étendre les résultats de ses travaux de recherche à d’autres domaines d’application. Ce fut, toutd’abord, la réalisation de fonctions accordables bas-coût et la conception, du tout premier VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) accordable à base de nano-PDLC, puis du premier multi-plex holographique commutable à base d’Holo-PDLC.

Parallèlement, l’ENST Bretagne a commencé à développer des structures composites plus com-plexes (gel, réseau polymère) nématiques et smectiques dont un gel cristal liquide original pour laréalisation d’une nouvelle génération d’obturateurs pour casques de soudure. Ce gel dispose d’unétat stable sécurisé avec des temps de commutation rapides permettant d’améliorer sensiblementl’ergonomie et la sécurité de l’opérateur. Une société est en cours de création (Lixys) pour exploi-ter cette innovation avec des perspectives de marché très attractives.

Plus récemment enfin, l’ENST Bretagne s’est intéressée aux phases cholestériques pour tirer partide leurs structures Bragg intrinsèques et concevoir des cristaux liquides photoniques reconfigura-bles à grande efficacité.

Ce souci permanent d’innovation a conduit au dépôt de 30 brevets, à l’encadrement d’une quin-zaine de thèses et à la création de deux sociétés. L’ensemble de ces résultats place l’ENSTBretagne comme l’un des pôles de recherche de tout premier plan au monde, dans le domaine del’ingénierie cristal liquide. Ils ont valu à Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye, chef du départe-ment Optique de l’ENST Bretagne, l’attribution du SPIE Technical Achievement Award 2006.

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J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, “Engineering liquid crystal foroptimal uses in optical communication environments”, Surveypaper in Liquid Crystal Journal, pp. 1-29, 2004.

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◗ Valve optique FLC à adressage rapide (1992) 4

◗ Dispositif d’anti-éblouissement (1994) 5

◗ Corrélateur optique pour la reconnaissance de panneaux de signalisation (1995) 6

◗ Première valve optique à cristal liquide smectique torsadé (1997) 7

◗ Coupleur Mach-Zehnder fibré à modulateur FLC (1998, brevet France Télécom) 8

◗ Guide optique à cristal liquide smectique (1999) 9

◗ Commutateur spatial optique sélectif en longueur d’onde (2000) 10

◗ Égaliseur Dynamique de Gain (DGE) à PDLC (2002) - OPTOGONE 11/12

◗ Contrôleur de polarisation (PC) rapide à base de PSLC (2003) - OPTOGONE 13/14

◗ Matériau PDLC à large gamme de température (-10, 70°C) (2003) - OPTOGONE 15

◗ Premier VCSEL accordable utilisant un nano-PDLC (2004) 16

◗ Premier multiplex holographique à base d’Holo-PDLC (2004) 17

◗ Obturateur rapide à état sécurisé pour masque de soudure (2005) - LIXYS 18

◗ PDLC pour filtre accordable à effet de plasmon de surface (2005) 19

◗ Cristal liquide photonique à base de cholestérique (Brevet GET 2006) 20

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Fiches techniquesdes innovations et produits développés

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(P. Cambon, J.L. de Bougrenet, L. Dupont, ZY. Wu, F. Perennes, M. Killinger)

Une valve optique est un composant optique permettant la conversion incohérente-cohérente, oude longueurs d’onde par adressage optique. Elle est constituée d’un élément photosensible modu-lant un élément électro-optique, généralement du cristal liquide, modulateur de phase ou de phaseanisotrope. L’intérêt d’utiliser un cristal liquide ferro-électrique (FLC) est lié à son temps de com-mutation rapide. Pour utiliser une valve à hautes cadences, il faut disposer d’un élément photo-sensible rapide autre qu’un photoconducteur. L’ENST Bretagne a réalisé une valve rapide à pho-todiode en silicium amorphe hydrogéné et SmC*. Des fréquences de l’ordre de 25kHz ont étémesurées pour des puissances optiques de 25µWcm-2 ; ce sont les meilleurs résultats obtenusjusqu’à présent. Aujourd’hui l’ENST Bretagne fournit, à la demande, de tels composants pour desapplications de laboratoire.

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Valve optique FLC à adressagerapide (1992)

Coupe transversale de la valve rapide

Exemple d’une valve 2’’x2’’

◗ Valve optique à adressage rapide

Innovation :

La valve comporte plusieurs innova-tions : une structure nip-pin dissymétri-que pour éviter la présence de compo-sante continue, une optimisation del’épaisseur et du choix du maté-riau (a-Si:H), des miroirs diélectri-ques bloquants pour une meilleure iso-lation de la couche photosensible enphase de lecture.Une valve optique avec une couchephotosensible en PVK(Poly-N-vinylcar-bazole) pour une inscription aux lon-gueurs d’onde télécom a été réalisée.

Ref. L. Dupont, Z. Y. Wu, P. Cambonand J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Smectic Aand C liquid crystal lightvalves", Revue dePhysique III, Vol. 3, pp. 1381-1399, 1993.

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le dispositif d’anti-éblouissement est composé d’un modulateur spatial à lame demi-onde dispo-sée entre polariseur et analyseur croisés. Les pixels sont inscrits sur ITO (Indium Tin Oxyde) parphotolithographie et gravure plasma. Une cellule photoconductrice a-Si:H est implantée en bordde pixel (a). Le second substrat est la contre-électrode en ITO. Le cristal liquide est un SmC* uti-lisé comme matrice de micro obturateurs (10x15µm) indépendants (c), optiquement adressables,et alimentés par des lignes de tension connectées indépendamment aux cellules a-Si:H. Quand ledétecteur est dans l’obscurité, sa résistance est dix fois plus grande que celle du cristal liquide ;quand il est éclairé elle est dix fois plus faible. Si l’élément photosensible est suffisamment éclairé,une tension est appliquée au CL qui commute, bloquant ainsi la transmission dans l’analyseur etévitant l’éblouissement.

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Dispositif d’anti-éblouissement (1994)(ZY Wu, J.L. de Bougrenet, M. Guéna)

a) Cellule élémentaire en coupe

b) Effet du dispositf d’anti-éblouissement sur une Cible(1) Cible avec une LED active(2) Cible avec Correction d’éblouissement(3) Cible LED éteinte

c) Dispositif d’anti-éblouissantPixels avec leurs photodétecteurs

◗ Dispositif anti-éblouissement

Innovation :

Le traitement spatial différentiel del’éblouissement évite une obturationtotale du composant (b). Le composantintelligent évite l’éblouissement dans lazone surexposée sans empêcher lavision du reste de la scène. Ceci estobtenu notamment par la pixélisationdu composant sous forme de micro-obturateurs à adressage optique.Composant bas-coût et simple, le pro-totype a été réalisé pour le compte dela société PSA (Peugeot-Citroën).

Ref. M. Guéna, Z.Y. Wu, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "A 120x120 pixel anti-blooming array using optically addressedFLC cells", Optics Letters, Vol. 19, N°13, pp. 1001-1003, 1994.

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(1) (2) (3)

Le corrélateur optique pour la reconnaissance de panneaux de signalisation a été réalisé dans lecadre du programme européen HICOPOS (Highly Integrated Optical Processor for On boardSystem) - Esprit III n°70650, piloté par PSA.

L’ENST Bretagne a réalisé le premier corrélateur joint, temps réel, embarqué sur véhicule automo-bile, à base de technologie FLC. L’application visée était la reconnaissance de panneaux de signa-lisation routière. Ce corrélateur, été embarqué sur Peugeot 605, a reconnu en temps réel des pan-neaux dans un contexte de conduite réel. Son exploitation commerciale s’est heurtée à descontraintes de coût difficiles à concilier avec la gamme actuelle de véhicules grand public. Une ver-sion compacte de ce corrélateur a été utilisée pour la reconnaissance d’empreintes digitales.Thomson-IDmatics et CRL(GB) ont exploité les retombées de ce travail.

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Corrélateur optiquepour la reconnaissancede panneaux de signalisation : (1995)(J.L. de Bougrenet, G. Keryer, P. Pellat-Finet, L. Guibert, Y. Petillot)

Corrélateur joint embarqué (300x150x100mm3) Image en sortie du détecteur de contours

Plan d’entrée et plan de corrélation du corrélateur

◗ Corrélateur optique

Innovation :

Une intégration a été réalisée sur véhi-cule (robustesse mécanique, consom-mation) et un capteur intelligent effec-tuant la détection de contour a étédéveloppé pour cette application. Destechniques de filtrage optique permet-tant une invariance de la reconnais-sance vis-à-vis de distorsions (bruit,changement d’échelle, rotation) ontégalement été développées à cetteoccasion.

Ref. L. Guibert, G. Keryer, A. Servel, M. Attia,H. MacKenzie, P. Pellat-Finet, and J.L. de Bougrenet"On-boardable optical joint transform correlator forreal-time road sign recognition", Optical Engineering.Vol. 34, N°1, pp. 135-143, 1995.

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Autre aspect d’ingénierie des modulateurs ou valves optiques : le compromis vitesse, niveaux degris obtenu ici (à l’instar du nématique) en torsadant un SmC* large tilt. Une valve optique à cristalliquide smectique torsadé a été réalisée pour la société SFIM-ODS (imageur infrarouge rapide àniveaux de gris). Le problème principal était l’alignement et le contrôle de l’épaisseur (>5µm impo-sés par la longueur d’onde de lecture infra-rouge lointain). Il fallait en effet garantir une dynamiquede modulation suffisante, sans pénalité en temps de réponse et éviter l’apparition de défauts liésà l’épaisseur. L’élément photoadressable était constitué d’un photoconducteur a-Si:H.

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Première valve optique à cristalliquide smectique torsadé (1997)(L. Dupont, J.L. de Bougrenet, M. Guéna, L. Le Bourhis)

Alignement du SmC torsadé Prise enregistrée en positifEnregistrement d’une mire de référence àniveaux de gris

réponse optique en µs en fonction del’éclairement en µW.

Innovation :

L’innovation réside dans le composantfinal unique (une dizaine de niveaux degris adressables), la gestion des non-linéarités de commande en tension pourobtenir une variation continue deniveaux de gris et la maîtrise de grandesépaisseurs de cellule pour un FLC.

Ref. M. Guéna, M. Le Gall, L. Dupont and, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Ferroelectric twisted liquidcrystal structure", Ferroelectrics ,Vol. 213, pp. 45-52, 1998.

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◗ Valve optique à cristal liquidesmectique torsadé

Un commutateur interférométrique, deux entrées vers deux sorties, a été réalisé en collaborationavec France Télécom R&D (brevet FT). L’architecture est celle d’un interféromètre de Mach-Zehnder (MZ) fibré, constitué de deux coupleurs à fibre 3dB et d’un déphaseur à cristal liquideFLC, pour assurer la fonction de commutation. En créant un déphasage relatif ΔΦ entre chacundes bras, de manière à créer une avance de phase π/2 d’un bras par rapport à l’autre, on sélec-tionne une des deux sorties. Le FLC à large angle de tilt permet d’obtenir de tels déphasagesinsensibles à la polarisation ce qui est requis dans ce contexte.

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Coupleur Mach-Zehnder fibréà modulateur FLC(1998, brevet France Télécom)

(L. Dupont, J.L. de Bougrenet, M. Le Gall)

Architecture du commutateurMach-Zehnder fibré

Cellule fibrée avec cristal liquide confiné entre deux férules

Innovation :

L’architecture de commutateur com-bine deux technologies matures : cellesdes fibres optiques et celle des cristauxliquides. Le commutateur est compactet insensible à la polarisation. Laprouesse technique tient au confine-ment et à l’alignement du cristal liquidedans la férule (polissage, dépôt desélectrodes, des couches d’alignement).Une fibre à double cœur a été utiliséepour plus de compacité.

Ref. M. Le Gall, L. Dupont and J.L. de Bougrenet de laTocnaye, "Liquid crystal confined single mode fibre baseddevices: technology and potential applications", Ferroelectrics,Vol.246, pp 1133-1140, 2000.

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◗ Coupleur Mach-Zender fibré

Une étude sur les guides optiques à base de cristaux liquides smectiques ferroélectriques a débutéen 97 pour France Telecom R&D. Ce travail a permis de valider le guidage et le bon confinementde la lumière dans la cellule à cristal liquide (matériau anisotrope). Il a également permis de testerdifférents effets quasi-optiques en mode guidé tels que la déflexion de faisceau par double réfrac-tion (une déflexion d’une dizaine de degrés a été obtenue) la réflexion et la réfraction sur des diop-tres. Les principales applications concernaient la commutation NxN et 1xN pour les systèmes detélécommunications optiques.

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Guide optique à cristal liquidesmectique (1999) (L. Dupont, E. Gros)

Déflexion du faisceau guidé +φ Déflexion du faisceau guidé -φ

Innovation :

L’utilisation de la double réfraction enpropagation guidée avec les cristauxliquides a constitué une première. Latechnologie standard des cellules àcristal liquide a été adaptée pour per-mettre l’injection de la lumière par latranche et également l’obtention d’unfaisceau collimaté dans le cœur duguide (réalisation de micro-lentillesd’anamorphose pour l’injection dans leguide).

Ref. E. Gros and L. Dupont "Ferroelectric liquid crystal opticalwaveguide switches using double refraction effect", IEEEPhotonics Technology Letters, Vol. 13, N°2, pp. 115-117 ,2002.

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◗ Guide optique à cristal liquide

Guide

Lentille◗ Effet de la collimation du faisceau dans

le guide optique

L’ENST Bretagne, en collaboration avec Alcatel CIT et France Télécom R&D (contratRNRT-CRISTO), a étudié et réalisé un dispositif d’aiguillage spatial de longueurs d’ondes pour lesréseaux télécom à très haut débit. Le cœur du dispositif est un modulateur spatial de lumière bidi-mensionnel (MSL2D) SmC* en réflexion (adressage arrière par circuit VLSI), utilisé comme micro-déflecteur de faisceau entre les voies d’une matrice de fibres optiques mono-modes. Trois pointsclef ont été abordés : l’adaptation d’un composant MSL2D existant pour un fonctionnement auxlongueurs d’onde télécom, le dimensionnement et l’intégration du commutateur suivi de tests sta-tiques et dynamiques. La figure (a) montre le composant MSL2D dont le déflecteur actif comporte1280x1024 pixels au pas de 12µm. Le temps de commutation mesuré est de l’ordre de 100µs, pourune efficacité de déflexion de 20%. Le commutateur intégré (figure b) utilise une structure en silicechoisie pour sa stabilité thermo-mécanique. Le sys-tème comporte une matrice de 32 fibres mono-modes alignées et intégrées au laboratoire. Le ren-dement moyen de connexion de fibre à fibre est del’ordre de 10%. Le point le plus important est latransparence du dispositif aux données à très hautdébit (10 Gbit/s) véhiculées par les canaux optiquescommutés (figure c).

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Commutateur spatial optiquesélectif en longueur d’onde (2000) (B. Fracasso, J.L. de Bougrenet, K. Heggarty, P. Berthelé, C. Uche)

Innovation :

L’innovation réside dans l’utilisation

d’une technologie de déflexion bi-

dimensionnelle par micro-modulateur

diffractif insensible à la polarisation et

fonctionnant en réflexion et à la lon-

gueur d’onde télécom ainsi que la mise

en place d’algorithmes itératifs pour

l’optimisation de l’efficacité de la

connexion optique.

Ref. B. Fracasso, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, M. Razzak andC. Uche, "Design and performance of a versatile holographicliquid crystal wavelength selective switch", IEEE Journal ofLightwave Technology, pp. 2405-2411, Vol. 21, pp. 2405-2414,2003.

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◗ Commutateur spatial optique

(a)

(b)

(c)

L’égalisateur dynamique de gain est un composant clef du réseau télécom. Il a donné lieu à diver-ses réalisations technologiques (MEMS, LC, ESBG etc.). La société Optogone a été la première àpromouvoir et fabriquer une solution cristal liquide composite dans ce domaine. Cette solutioncomporte 3 innovations principales ayant un impact direct sur les performances, le coût et larobustesse.

1) Modulateur spatial de lumière (MSL) :Comparé aux solutions CL pures, le PDLC est une technologie plus robuste et plus facile à mettreen oeuvre (pas besoin de couches d’alignement). La morphologie des gouttelettes a été optimiséepour assurer une bonne dynamique d’atténuation et une faible PDL. Les tailles des pixels et desd’inter-pixels ont été optimisées en géométrie et en quantité pour garantir des pentes douces.

2) Principe de l’architecture optique etinnovation d’assemblage:La solution retenue est indépendante dela polarisation grâce à une combinaisonoriginale des propriétés de diffusion duPDLC et de l’utilisation d’un prisme dépo-larisant. De ce fait, le nombre de blocsoptiques indépendants est réduit. Cettearchitecture a permis une technique origi-nale d’assemblage assurant de faiblespertes d’insertion (une des meilleures surle marché : 4,2dB circulateur compris).

3) Innovation d’assemblageLa structure opto-mécanique est en silicesynthétique pour avoir un faible coeffi-cient de dilatation thermique.L’assemblage de la ceinture nécessite unoutillage de précision ; celui des coins etdu réseau se fait par contre sans élémentactif. Les composants optiques sontensuite scellés lors du réglage du DGE.Le système optique est étanchéifié pardeux plaques de verre. Cette techniqueréduit les étapes de fabrication et confèreune meilleure immunité aux variations detempérature.

Caractéristiques du réseau diffractif :On utilise un réseau, de volume en transmission à faible dispersion (300l/mm) enregistré sur géla-tine bichromatée hermétiquement scellée entre 2 lames de verre. Les paramètres physiques sontoptimisés pour obtenir une haute efficacité de diffraction (proche de 90% pour le TM et TE) et unebonne planéité spectrale (WDL< 0.1dB) sur les 40nm de la bande C.

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Égaliseur Dynamiquede Gain (DGE) à PDLC (2002) (M. Barge, D. Battarel, J.L de Bougrenet, P. Gautier, T. Loukina, R. Chevallier, L. Dupont)

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◗ Égaliseur dynamique de gain à PDLC

Montage du modulateur PDLCentre deux wedges et miroirarrière

Cœur optique du DGE avec sa ceinture d’assemblage

Modulateur-PDLC monté avec coinoptique (wedge) pour limiter leseffets étalon

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Standard : Compact :Pertes d’Insertion 4.2dB 4dBGamme de Dynamique 10-15dB 8dBRésolution Spectrale 0.7nm 2nmPente d’atténuation: 4dB/nm 2dB/nmPrécision +/-0.1dB +/-0.5dBPDL 0.35dB (pire cas) 0.3dBRL (-40dB entre entrée et sortie)Puissance optique max. 23dBm@1530nm + 15dBm@980nm (pompe résiduelle)Temps de réponse 10msTaille (optique) mm: w160xL114xh26 w22xL42xh14

Innovation :

L’athermalisation sur une large gammedu réseau, combinée à un correcteurcylindrique, compense l’astigmatismedes miroirs sphériques hors-axe. Pouroptimiser l’efficacité de couplage, lecorrecteur est scellé au réseau, l’axecylindrique parallèle aux lignes duréseau. Système sans diversité depolarisation combinant un modulateurspatial à PDLC et un prisme dépolari-sant .

Ref. M. Barge, D. Battarel, and J.L. de Bougrenet de la Tocnaye,“A polymer dispersed liquid crystal-based dynamic gain equali-zer” IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol.23 , pp. 2531-2542, 2005.

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◗ caractéristiques DGE

◗ Vue du DGE d’Optogone et de son électroni-que de commande dans sa version standard

Prix spécial Anvar 2001,prix de l’innovation Capital IT 2002et Cambridge Entrepeneurship 2002

Le contrôleur de polarisation est constitué de plusieurs lames à axes tournants, à retards fixes ouvariables. Différents matériaux à fort coefficient électro-optique ont été utilisés pour fabriquer leslames constituant un PC. La société Optogone a été la première à proposer et démontrer l’utilisa-tion d’un gel polymère CL pour fabriquer les lames de phase à axe tournant, avec de nombreuxavantages tels que les temps de réponse rapides, la robustesse, la compacité et le coût.

Principe optique et assemblage :Notre PC comprend deux lames à cristal liquide (demi-onde ou lame à retard variable) à orienta-tion de l’axe neutre pilotée par un champ électrique rotatif parallèle à la cellule CL. Ce champ élec-trique tournant est généré par une structure d’électrodes en étoile. La dimension des électrodesest comprise entre 5 et 15µm permettant la génération de champs importants uniformes avec unegrande longueur de pénétration dans le matériau.

Du fait de la faible taille de la zone active (30µm) lalumière est focalisée au centre des électrodes. Cettefocalisation est obtenue au moyen de fibres micro-lentillées améliorant la compacité du PC.

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Contrôleur de polarisation (PC)rapide à base de PSLC (2003) (Y. Defosse, P. Gautier, J.L. de Bougrenet, L. Dupont, T. Sansoni)

Innovation :

La combinaison d’électrodes épaissesétoilées avec un gel cristal liquidenématique et polymère assure une dis-tribution uniforme du champ dans lematériau. Elle évite l’apparition de régi-mes de flots rendant la cellule inopé-rante pour certaines valeurs de tension,limitant par là-même la PDL. Un autreavantage réside dans la réduction nota-ble des temps de commutation du CLévitant les mouvements hydrodynami-ques.

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◗ Électrodes épaisses en étoile générant unchamp rotatif: les tensions appliquées Visuivent la loi Vi=V cos(2πi/n +φ) où V estconstant, i l’indice et n le nombre d’électro-des (8 dans cet exemple).

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◗ micro-positionnement relatif + collage des fibres micro-lentillées sur les lames

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◗ Caractéristiques PC

Réf. Y. Defosse, P. Gautier, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye,A. Guenot, « Stabilized liquid crystal rotatable fractional wave-platesstack for fast polarisation analysis and control », Proc. OFC’04, LosAngeles, 2004.

Pertes d’insertion : 1.5 dB – 2 dBBiréfringence lames : jusqu’à la demi-ondePDL lames : 0.15dB – 0.2 dBTemps de réponse : 200 µs – 300 µs (5°/10µs)Dimension (optique) mm : w20xL20xh25.

Micro-positionnement

Micro-positionnement relatif des 2 lames

Collage fibres micro-lentillées sur les lames

Collage

Prix spécial Anvar 2001,prix de l’innovation Capital IT 2002et Cambridge Entrepeneurship 2002

La dépendance en température des propriétés cristal liquide est une limitation majeure pour beau-coup d’applications. La biréfringence chute près de la température de transition de la phase néma-tique isotrope. Pour obtenir une large gamme de températures avec des PDLC nous avons déve-loppé et breveté un mélange de composés CL cyanobiphenyl et isothiocyanate, offrant un compo-site avec des températures de transition en phase nématique isotrope autour de 160°C et de cris-tallisation autour de -10°C. Lafigure montre une comparaisonentre 2 PDLC : le premier est unmélange commercial avec unetempérature de phase nématiqueisotrope de 87°C (TL205 de Merck)et le second est réalisé à partir dumélange breveté par la sociétéOptogone.

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Matériau PDLC à large gamme detempérature (-10, 70°C) (2003) (P. Gautier, J.L. de Bougrenet)

Innovation :

Althermalisation pour le PDLC B. Ladynamique entre l’état diffusant etl’état transparent est pratiquementconstante sur toute la gamme de tem-pérature (-10° à 70°C).

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◗ Dynamique taux d’extinction vs températurepour 2 PDLC utilisant différents CL

Réf. P. Gautier, J.L de Bougrenet de la Tocnaye, A. Guenot,and E. Salaun, «Engineering liquid crystal for uses in optical com-munication systems, a key issue : widening the operating tempe-rature range” Proc. XVth conference on Liquid crystal, Warszawa,Poland, 2003.

Prix spécial Anvar 2001,prix de l’innovation Capital IT 2002et Cambridge Entrepeneurship 2002

L’ENST Bretagne et l’INSA de Rennes ont réalisé le premier Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL) accordable non-mécaniquement, dans la bande C. Ceci a été possible grâce à l’optimi-sation d’une structure à puits quantiques InGaAs couplée à une couche de 6µm de nano-PDLCutilisé comme modulateur d’indice. La figure b donne la gamme d’accord (autour de 10nm) enfonction de la tension appliquée. L’excellent fonctionnement mono-mode sur cette gamme estobservable. Un autre argument décisif, comparé aux solutions mécaniques (type MEMS) est letemps d’accord. Moins de 30µs sont nécessaires pour couvrir la plage spectrale complète, ren-dant ce composant bien adapté aux besoins du réseau d’accès. Sa robustesse et son faible coûtsont d’autres atouts. La précision d’accord est inférieure à 2,5GHz (soit une précision en tensiondu 10e de Volt). L’amplitude des tensions est la limitation principale à une extension de la gammespectrale.100 Volts sont nécessaires pour atteindre 15nm (20nm pourraient être obtenus sous 150Volts). Des recherches spécifiques sur les matériaux sont actuellement menées afin de limiter leseffets de cette contrainte.

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Premier VCSEL accordableutilisant un nano-PDLC (2004) (J.L. de Bougrenet, L. Dupont, V. Verbrugge)

Innovation :

Premier nano-PDLC VCSEL au monde,il combine robustesse, compacité, bascoût et temps d’accord rapides com-parés aux VCSEL-MEMS. On peut éga-lement noter le bon fonctionnementmono-mode du VCSEL accordable.

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◗ VCSEL accordable

a) Coupe du VCSEL à mano-PDLC

b) Transposition spectrale en fonction de la tension

Réf. C. Levallois, B. Caillaud, J-L. de Bougrenet de la Tocnaye,L. Dupont, A. Lecorre, H. Folliot, and S. Loualiche, “Nano-PDLCas phase modulator for tunable VCSEL @ 1.55µm”, to appearApplied Optics, 2006.

Le composite polymère/cristal liquide est utilisé pour l’enregistrement holographique (Holo-PDLC).Il est caractérisé par une structure constituée de domaines riches et pauvres en cristal liquide.Cette stratification est obtenue par photo-polymérisation du mélange mono-mère/cristal liquide,par une figure d’interférences. La différence d’indice entre ces domaines est variable en fonctionde la tension appliquée. Il en résulte que les hologrammes sont effaçables par une tension de com-mande. Nous avons contribué à la compréhension et la modélisation du processus de formationd’un réseau de phase lors de l’enregistrement et la caractérisation de ses propriétés optiques,incluant la sélectivité en polarisation. D’un point de vue applicatif nous avons réalisé un miroir holo-graphique à réflectivité variable.

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Premier multiplex holographique àbase d’Holo-PDLC (2004) (R. Chevallier, J.L. de Bougrenet, J.L. Kaiser, S. Massenot)

Innovation :

A notre connaissance il s’agit du pre-mier multiplex spatial d’hologrammescommutables réalisé dans ce matériau.Procédé d’enregistrement optimaltenant compte de la compétition dedifférents effets, il a permis la réalisa-tion d’un miroir holographique à réflec-tivité variable comportant un réseau« chirpé » pour compenser la dépen-dance chromatique.

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◗ Multiplex holographique

Principe d’un Holo-PDLC commutable Enregistrement du multiplex

Sélection des réseaux par la tension

Réf. S. Massenot, J.-L. Kaiser, M. Camacho Perez, R. Chevallierand J.-L. de Bougrenet de la Tocnaye, ‘Multiplexed holographictransmission gratings recorded in holographic polymer dispersedliquid crystals: static and dynamic studies”, Applied Optics, Vol.44, N°25, pp. 5489-5497, 2005.

Le domaine de la soudure est un secteur clé de l’assemblage et de la construction mécanique.L’équipement d’un poste de soudure comporte un système de protection individuelle qui permetd’éviter l’éblouissement et les problèmes de santé induits (kérato-conjonctivites, érythèmes,lésions rétiniennes, cataractes etc.) La protection des soudeurs, au moyen de filtres, est indispen-sable. Ces filtres absorbent toutefois une quantité notable du rayonnement diminuant la vision dela tâche à effectuer et donc la qualité et le rendement du travail réalisé. Les obturateurs à base decristal liquide permettant une bonne obturation (>40dB) à l’amorçage de l’arc sont couramment uti-lisés, évitant au soudeur de relever fréquemment son casque. Toutefois, ils ne permettent que desopérations assez rudimentaires du fait de leurs temps de réponse trop lents (qqs 10ms) pour auto-riser des séquences d’obturation complexes compatibles avec un fonctionnement optimal de l’arc.

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Obturateur rapide à état sécurisépour masque de soudure (2005) (P. Gautier, J.L. de Bougrenet, L. Dupont, B. Caillaud)

Innovation :

La principale avancée est un systèmede protection qui combine sécurité detemps d’obturation rapides et confortde vision. La rapidité est obtenue parun composite cristal liquide antiferroé-lectrique associé à un réseau de poly-mère. Une concentration judicieuseassure homogénéité sur une grandesurface sans défaut, avec un état stablephysique. Des temps de réponse (et derelaxation) <400µs permettent de syn-chroniser le filtre aux pics d’intensité decourant des régimes MIG et TIG desarcs de soudure. Ce concept originalassurant un confort inégalé n’a aucunéquivalent sur le marché actuel de laprotection du soudeur.

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◗ Obturateur pour casque de soudure

Obturateur et son électronique dans sa cassette

Commutation obturateur LixysGraduation : 2ms par division. En bleu tension decommande, en rouge réponse optique.

Réf. B. Caillaud, L. Dupont, J.L. de Bougrenet de laTocnaye, P. Gautier, « Polymer stabilized FLC shut-ter exhibiting stabilized safe blocking state for wel-ding filter applications », to appear in Ferroelectrics,2006.

Taille : 105mmx55mmProtection UV : Niveau DIN 15Protection IR : Niveau DIN 14Transmissionétat activé : Niveau DIN 9-13Transmissionnon activé : Niveau DIN 4Temps de commutation (voir figure ci-contre)

◗ Caractéristiques obturateurs Lixys

Prix de laFondation LouisLeprince Ringuetpour l’innovation.

Les anomalies (de résonance) présentées par certains réseaux de diffraction (une faible variationde la longueur d’onde provoque une variation brutale de l’efficacité de diffraction) sont utiliséespour réaliser des filtres accordables simples et bas coût . On exploite la résonance de plasmon desurface d’un réseau métallique (figure a) recouvert par un diélectrique présentant des propriétésd’accordabilité (ici le nano-PDLC). L’excitation d’une onde de surface de plasmon se traduit parune brusque variation de la réflectivité de la couche métallique à la longueur d’onde incidente. Lenano-PDLC produit une modulation de l’indice isotrope qui permet de déplacer la condition d’ex-citation de la résonance (figure b). Un premier filtre accordable a été réalisé selon ce principe(réseau or recouvert d’une couche nano-PDLC modulable par application d’un champ électrique).

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PDLC pour filtre accordableà effet de plasmon de surface (2005) (R. Chevallier, S. Massenot)

Innovation :

Il s’agit de la première réalisation de cetype en nano-PDLC. Un déplacementde la résonance de 20nm a été obtenuet des améliorations sont en cours pourélargir la plage d’accord et améliorer lasélectivité du filtre.

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◗ PDLC pour filtre à effet de plasmon de surface

Réf. S. Massenot, “Étude modélisation et réalisation de composantsdiffractants: contribution à l’enregistrement holographique de filtresrésonnants”, Thèse UBS-ENST Bretagne, 3 février 2006

Réseau résine recouverte d’or au pas de 0,7 µmrecouvert de nano-PDLC scellé par une contreélectrode en ITO

b) Transposition longueur d’onde de résonance par tension appliquéeau nano-PDLC

a) Filtre accordable à plasmon de surface

Il s’agit de créer des cristaux liquides photoniques 2D, 3D en exploitant la structure Bragg(figure c) naturelle du cholestérique planaire. On vient ici disloquer localement les hélices pourcréer une structure périodique diffractante ayant les propriétés d’un réseau mince perpendiculaireau Bragg (figure b). La résonance des ordres diffractés du réseau mince avec le Bragg (qui filtre lesordres multiples du réseau mince) permet d’optimiser l’efficacité de diffraction et améliorer lasélectivité spectrale (figure a) de la structure. L’accordabilité est obtenue en modulant à la fois ouséparément le pas du réseau mince et le pas du Bragg. Ceci s’obtient par une modulation duchamp électrique appliqué soit verticalement ou transversalement par un réseau d’électrodes ajus-tées selon ces deux configurations. Ceci permet d’exploiter les deux régimes de réflexion du CLC(premier et deuxième ordres) qui ont des modes propres et des sélectivités spectrales différentes.

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Cristal liquide photonique à basede cholestérique (brevet GET 2006)(J.L. de Bougrenet, A. Denisov )

Innovation :

L’innovation réside dans la réalisationd’une structure cristal photonique àpartir d’un CLC, exploitant la qualitédes Bragg CLC et la large anisotropiede modulation entre les deux réseaux(proche de 0,2) sous faibles tensions(quelques dizaines de Volt). La reconfi-gurabilité est un argument clef pour detelles structures. Il s’agit, de plus, d’uncomposant très bas coût (comparé auxsemi-conducteurs) dont la taille dupitch est adaptée à la gamme spec-trale. Il est possible de générer desréseaux photoniques 3D suivant ceprincipe.

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◗ Cristal liquide photonique à base de cholestérique

Réf. J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, A. Denisov“Cholesterique photonic liquid crystal”(Brevet GET 2006)

a) Principe du réseau résonant 2D

b) CL photonique à CLC

c) Efficacité Bragg-cholestérique en fonctiondu nombre de couches

Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye, 51 ans, docteur ès science phy-sique, licencié ès lettres, est professeur au GET-ENST Bretagne et chef dudépartement d’Optique (UMR CNRS Foton 6082).

Spécialiste des cristaux liquides et de leurs applications aux télécommu-nications et au traitement optique de l’information, il est lauréat de laFondation Alexander von Humboldt (1985), Fellow de la SociétéAméricaine d’Optique (2005), Churchill College Fellow (1998) et visitingprofessor à l’université de Cambridge.

Président fondateur et Directeur général d’Optogone* (essaimage de France Télécom et du Groupedes Écoles des Télécommunications), entreprise spécialisée dans le développement de fonctionspassives pour le réseau optique, il est lauréat du prix spécial Anvar 2001 pour l’innovation et letransfert technologique, lauréat du prix de l’innovation Capital IT 2002 et de CambridgeEntrepeneurship 2002, lauréat du Prix SPIE Technical Achievement Award 2006.

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Biographie deJean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye

Jean-Louis de Bougrenetde la Tocnaye est également :

- président du Technical AdvisoryBoard du Groupe Memscap depuis2004 ;

- co-fondateur de la société Lixys(2006), spécialisée dans la protectiondes masques de soudure à base decristal liquide ;

- président fondateur de la plate-formetechnologique d’évaluation et derecherche sur les fonctions dynami-ques optoélectroniques (PERDYN) ;

- Membre du comité exécutif du IE-Club (Investisseur-Entrepreneur).

21* jusqu’à son rachat par Memscap

◗ Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye reçoit leSPIE Technical Achievement Award 2006 desmains dePaul McManamon, président du SPIE.