Généralités sur les réseaux de transmission à très haut débit et fonctions optiques
Lignes de transmission optique
L'architecture d'un réseau de transmission est très complexe en pratique, mais au niveau élémentaire tous les réseaux reposent sur des lignes appelées connexions point à point, et dont l'architecture est donnée sur la figure 1.1. Une telle connexion est constituée d'un bloc émetteur, d'un bloc récepteur reliés à une ligne de transmission (une fibre optique suivie d'un amplificateur optique).
Dégradation du signal
- Atténuation dans la fibre optique
- Bruit d’émission spontanée
- Dispersion chromatique
- Dispersion de la polarisation
- Effets non-linéaires
Le milieu est dit dispersif car son indice de réfraction dépend de la longueur d'onde n = f(ω). Où ω j est la fréquence de résonance et Bj est le coefficient de la jième résonance.
Intérêts des fonctions optiques pour les réseaux de transmission à très haut débit
Les fonctions de traitement du signal doivent essentiellement réaliser des tâches telles que contrôler la forme du signal, son débit ou sa destination. Dans cette étude, nous nous intéressons à toutes les fonctions de traitement du signal optique pour les réseaux de télécommunications à très haut débit.
Propriétés non-linéaires exploitées pour les fonctions optiques de traitement du
Rappel sur l’optique non-linéaire
- Origine de la non-linéarité optique dans les matériaux
- Effets non-linéaires d’ordre 2
- Effets non-linéaires d’ordre 3
L'indice non linéaire n2 est directement lié à la sensibilité électrique du 3ème ordre, χ(3), et peut être donné par [5]. FWM (Four Wave Mixing) est un processus optique non linéaire qui implique généralement quatre ondes de fréquences f1, f2, f3 et f4.
Exemples de fonctions de traitement du signal exploitant les effets d’optique non-
- Régénération
- Démultiplexage temporel
6 - (a) Schéma de principe d'un régénérateur tout optique basé sur SPM (Mamyshev), (b) Fonction de transfert non linéaire du régénérateur. Les performances d'un démultiplexeur dépendent généralement de l'interaction de la pompe et du signal dans le milieu non linéaire.
Polymères à fortes susceptibilités électriques d’ordre 3
Origine de la non-linéarité dans les matériaux organiques
- Systèmes π −conjugués
- Structure électronique des polymères conjugués
Ce sont les électrons de type π dans les liaisons chimiques entre les atomes de carbone de la chaîne principale qui distinguent les polymères conjugués des autres polymères conventionnels. Cette délocalisation des électrons π autour de la macromolécule est à l'origine du transport électronique, mais aussi de propriétés optiques non linéaires dans les matériaux organiques.
Analyse de la relation entre la structure électronique du polymère conjugué et les
1994) soulignent l'importance de connaître l'influence de la longueur de conjugaison électronique sur les susceptibilités non linéaires [27]. 33] ont tenté d'estimer la longueur de conjugaison du polythiophène (plus précisément poly(3-[2-((S))-2-méthoxybutoxy)éthyl]thiophène) à partir de la valeur de son χ(3), proche de la résonance excitonique, sur les films de Langmuir Blodgett (LB) et les films déposés à la fileuse.
État de l’art comparé des performances en optique non-linéaire d’ordre 3 de
Cela fait des polymères conjugués des candidats prometteurs pour le développement de composants pratiques pour les applications de traitement du signal. Ainsi, les poly(3-alkylthiophènes) semblent combiner une sensibilité électrique non linéaire élevée du 3ème ordre et des méthodes de synthèse (préparation du matériau) et d'application plus simples que les autres polymères conjugués.
Conclusion…
2 Prospection sur des méthodes de caractérisation des propriétés optiques non linéaires d'ordre 3 adaptées aux guides. Pour ces techniques, nous décrivons brièvement le principe théorique, les conditions expérimentales et donnons quelques résultats intéressants sur les propriétés optiques non linéaires d'ordre 3.
Méthodes utilisées pour la caractérisation des propriétés optiques non-linéaires
- Technique Z-scan
- Technique D-scan
- Technique par Génération de troisième harmonique
- Technique par auto-modulation de phase
- Technique par mélange à quatre ondes
1 - Autofocalisation de la lumière à travers un milieu NL non linéaire (a) : milieu NL fin et (b) : milieu NL épais. Le gazouillis induit par l'automodulation de phase dépend de la forme initiale de l'impulsion.
Discussions et comparatif des méthodes de caractérisations
Cette technique utilise deux faisceaux laser et nécessite une vérification du mode d'accord de phase dans le guide. Le seuil en termes d'observabilité de l'effet non linéaire dépend de la technique utilisée. La technique de mesure de génération de troisième harmonique mesure les non-linéarités dans une gamme proche de la longueur d'onde de résonance des polymères conjugués (λres dans le visible).
Étude expérimentale de caractérisations du coefficient de non-linéarité des guides
- Banc de caractérisations par SPM
- Caractérisations préliminaires par SPM d’échantillons témoins…
- Conditions d’application de la technique de mesure par SPM à des guides polymères
- Conditions d’applications de la technique de mesure par mélange à quatre ondes à des
On voit bien l'élargissement spectral de l'impulsion en sortie de la fibre As2Se3. Ces facteurs limitent l'utilisation de la technique de mesure SPM pour la caractérisation des guides polymères non linéaires. Passons maintenant aux conditions d'application de la technique de mesure du mélange à quatre ondes sur des guides polymères non linéaires, qui sont étudiées ici.
Conclusion
Ce chapitre est consacré à l'aspect théorique de la conception d'un guide d'onde optique monomode en polymère poly(3-alkylthiophène) non linéaire. Dans la première partie de ce chapitre nous présenterons une description de la propagation de la lumière dans un guide d'onde. L'objectif de la thèse est l'étude de la mise en œuvre de guides monomodes dans des polymères non linéaires, une étude de simulation constitue une première étape et un point de départ pour les tests de mise en œuvre prévus.
Généralités sur l’optique guidée
Guide d’onde plan
Dans un guide d'ondes planaire, l'énergie reste piégée dans la direction x, mais les rayons lumineux se propagent dans la direction y par diffraction. Pour obtenir la distribution du champ modal dans un guide plan, il faut chercher des solutions aux équations de Maxwell en considérant les conditions aux limites (continuité du champ et sa dérivée) aux deux interfaces de la structure guide (x = 0 et x) prendre. =h). A titre d'exemple, les profils de champ électrique pour les premiers modes de propagation dans les trois couches : film, substrat (gaine inférieure) et superstrat (gaine supérieure) d'un conducteur plan sont représentés sur la figure 3.3.
Guide d’onde rectangulaire
Après avoir présenté la propagation des ondes optiques dans des structures guidantes diélectriques de largeur limitée, nous passons maintenant à la deuxième partie de ce chapitre, dédiée à la conception d'un guide d'onde optique monomode à base du polymère non linéaire Poly(3-AlkylThiophène) . ) (P3AT). Pour ce faire, le diagramme de la figure 3.6 résume les étapes de conception qui contiennent les caractéristiques qui doivent être prises en compte lors de la conception d'une fibre optique monomode à base de polymère P3AT. Quantifier la contrainte énergétique du mode cœur (trouver la contrainte de cœur maximale dans P3AT).
Simulation de guides optiques en Poly(3-AlkylThiophène) pour la propagation
Choix des matériaux de confinement optique
Le but de la thèse n'est pas de développer un outil informatique pour l'analyse de différentes configurations de structures de guidage dans les P3AT, nous souhaitons simplement établir un guide monomode optimisé de détermination du point de vue grâce à un outil de simulation numérique disponible auprès du CCLO. de la taille effective du mode guidé et de son énergie. Il s'agira donc d'étudier à la longueur d'onde λ = 1550 nm l'influence des différences d'indices de réfraction (core-cladding) et de la taille du conducteur (dimensions des différentes couches) sur le caractère monomode, la taille du mode guidé et également sur la limitation de l'énergie du mode dans le guide.
Outil de simulation et méthode de travail
En plus de sa simplicité, un savoir-faire s'acquiert au CCLO autour de la réalisation de « backs » en polymères conventionnels. Cela nous a amené à étudier la mise en œuvre d’autres alternatives au guide à crête telles que le Strip Loaded Wave Guide et le guide à crête inversé (Buried WaveGuide). Pour toutes les configurations de guide étudiées ici, nous avons utilisé la méthode Generic Finite Difference (FD Generic) pour la configuration de crête et de guide.
Simulation d’un guide ‘‘ridge’’ en Poly(3-AlkylThiophène)
Nous avons noté en italique la hauteur de la « crête » correspondant à la densité énergétique optimale du mode guidé. C'est le guide "ridge" P3AT-silice de dimensions lxh=2x1 µm2 qui offre une meilleure densité énergétique, mais le mode qui lui est associé est elliptique. Cependant, pour un fort contraste d'indice (zones hachurées sur la figure 3.10), la structure « crête » est très vite multimode (pour une faible épaisseur h).
Dimensionnement d’un guide induit par ruban (SLWG pour Strip Loaded
- Principe du guidage induit par ruban
- Simulation de SLWGs à base de polymères classiques
- Dimensionnement de SLWGs à base de Poly(3-AlkylThiophène)
12 - Schéma descriptif des paramètres considérés pour la simulation SLWG à base de polymères conventionnels. Le tableau 3.8 présente les résultats du calcul numérique des caractéristiques optimisées des guides SLWG à base de polymères PMMI-PMATRIFE. Dans ce qui suit, nous présentons les résultats de la simulation numérique de bus SLWG monomodes basés sur P3AT.
Dimensionnement d’un guide ‘‘ridge’’ inversé (Buried
- Dimensionnement de guides ‘‘ridge’’ inversés à base de polymères
- Dimensionnement de guides ‘‘ridge’’ inversés à base de Poly(3-
La largeur du guide à crête inversée (ouverture) w est imposée par le masque utilisé pour la photolithographie. 20 - Profil 2D du mode fondamental d'une enveloppe inversée P3AT-PMMI-fond-silice ridge. Comme pour le guide "crête" inversé PMMI-PMMA, nous allons maintenant étudier pour les configurations P3AT-PMMI et P3AT-PVCi aux dimensions lxh optimisées l'effet de l'épaisseur de couche supérieure h'.
Conclusion
4 Enquête sur la réalisation de guides optiques en polymères non linéaires Poly(3-AlkylThiophène) et Poly(MéthylMéthylAcrylate) fonctionnalisés avec des chromophores. La méthode de synthèse que nous souhaitons utiliser permet d'obtenir un polymère régio-irrégulier (RIRg), qui, bien que potentiellement pas le plus performant, sera considéré comme un matériau d'étude. Dans la troisième partie, nous présenterons l'étude de mise en œuvre de plusieurs configurations de guides avec une technique de photolithographie standard.
Synthèse du Poly(Thiophène et de ses dérivés
- Méthodes de synthèses du Poly(3-AlkylThiophène)
- Synthèse chimique du Poly(3-OctylThiophène)
- Qualités recherchées du Poly(3-OctylThiophène) à synthétiser
- Synthèse chimique du Poly(3-OctylThiophène) au laboratoire
- Protocole expérimental de synthèse développé au laboratoire …
- Influence des paramètres de la réaction chimique sur les propriétés du polymère
- Conclusions sur la synthèse chimique du Poly(3-OctylThiophène)
Dans le tableau suivant nous présentons les résultats de mesure du coefficient d'atténuation α du grain P3HT. Np est calculé à partir de la masse du polymère (qui correspond à la concentration de la solution) et de la masse molaire du polymère (on utilise la masse molaire du monomère). En effet, une petite quantité de la solution de polymère (< 2 ml) est déposée au centre du substrat, puis elle est distribuée par rotation à vitesse constante (éjection de la solution du centre vers les bords du substrat au moyen d'une centrifugeuse). pouvoir).
Caractérisation des propriétés physiques et optiques des polymères
Analyse des masses moléculaires moyennes
Pour le polymère de synthèse 13 réalisé selon le protocole expérimental de base, soluble jusqu'à 150 g.l-1, on note la présence d'un large pic de polydispersité élevée ainsi que des distributions secondaires vers de faibles masses. Le polymère de synthèse 14 a été élaboré dans des conditions identiques à celles de la synthèse 13, mais on a constaté qu'il est insoluble. Il possède des masses molaires et un indice de polydispersité plus élevés que le polymère de synthèse 13.
Analyse de la régio-régularité de la structure du polymère
Pour le polymère synthétique 15 d'une durée totale d'une heure, son spectre CES est plus étroit que tous les autres spectres et présente également un faible indice de polydispersité par rapport à tous les autres polymères. Pour une durée totale de réaction chimique de 3 h (synthèse 16), nous avons trouvé des masses molaires élevées de 190 000 g.mole-1 et un début de pic vers des masses élevées (figure 4.9). Un tel taux permet de prédire que la sensibilité électrique d'ordre 3 en P3OT RIRg synthétique serait de l'ordre de 10-12 esu.
Analyse des propriétés Thermomécaniques
Nous présentons dans la figure 4.13 les courbes d'analyse ATM montrant l'évolution des propriétés mécaniques du PMMA après différents traitements thermiques [57]. Dans un premier temps, elle a été appliquée aux traitements thermiques de synthèse de 9 polymères pendant 2 heures à différentes températures (figure 4.14). Ensuite, nous avons appliqué un traitement thermique à 140 ° C pendant 4 h au polymère P3HT commercial et au polymère synthétique 13 .
Analyse des pertes optiques du P3AT
- Mesures préliminaires des pertes du matériau Poly(3-AlkylThiophène)
- Étude de l’absorption intrinsèque du polymère Poly(3-AlkylThiophène)
- Mesure des pertes de guides plans P3AT
Ceci aura pour effet de minimiser l'apport d'absorption apporté par le solvant par rapport à la fragilisation de la solution. 24 - Evolution du facteur d'atténuation αs de la solution P3OT en fonction de xp du P3OT dans la solution. 25 - Evolution du facteur d'atténuation αs de la solution P3HT en fonction de xp du P3HT dans la solution.
Étude de la réalisation de guides optiques en polymères non-linéaires
Choix de la technologie de réalisation
Étude de la réalisation d’un guide ‘‘ridge’’ en Poly(3-AlkylThiophène)
- Le filmage du polymère Poly(3-AlkylThiophène)
- Dépôt de la couche barrière
- La photolithographie
- La gravure RIE
- Conclusions sur la réalisation de guide ‘‘ridge’’ en Poly(3-AlkylThiophène) par
Protégez le polymère du solvant photorésistant pendant l’étape de photolithographie. Les paramètres de gravure sur silice ont été optimisés lors de la mise en œuvre des conducteurs. Etude de la création d'un conducteur crête monomode en polymères classiques fonctionnalisé avec des chromophores DR1.
Étude de la réalisation d’un guide ‘‘ridge’’ monomode en polymères classiques
Nous avons décidé d'étudier spécifiquement la création de deux configurations de guide monomode qui sont le guide à bande chargée et le guide « à crête inversée ». Une étude technologique a été réalisée pour les deux polymères et a permis la réalisation de guides faîtières monomodes. Afin d'essayer de tirer parti des propriétés non linéaires très élevées des P3AT, nous avons décidé d'explorer la création d'autres configurations de guidage basées sur ces polymères.
Études de la réalisation d’autres configurations de guides optiques monomodes en
- Guide induit par ruban
- Guide ‘‘ridge’’ inversé
Nous avons vu que l'épaisseur du ruban est faible (0,4 à 0,5 µm) ce qui nécessiterait une solution de polymère diluée. Nous avons déposé par centrifugation une couche d'épaisseur supérieure à 3 µm de PMMI sur un film P3OT déposé sur un substrat de silice (revêtement optique inférieur). 74 - Photo MEB d'une couche épaisse de PMMI déposée sur un film P3OT Ensuite, pour former la bande, nous avons réduit l'épaisseur de la couche de PMMI de plus de 3 µm à 0,4 µm par gravure plasma.
Propriétés de propagation optique des guides d’ondes réalisés à base de polymères non-
Résultats de mesure en champ proche des dimensions de modes des guides
Résultats de mesures des pertes optiques de propagation des guides polymères
Conclusion