Characterization and application of materials for the realization of new modulators based electro-optic polymers
Caractérisation et mise en oeuvre des matériaux en vue de la réalisation de modulateurs à base de nouveaux polymères électro-optiques
Résumé
Great interest is devoted to electro-optic (EO) polymers since they allow the fabrication of optical modulators exhibiting high modulation bandwidth and low drive signal. These characteristics are mainly related to a better velocity match between microwave and optical signals as well as a high EO coefficient. The work hereby reported is part of the national funded project "ModPol" aiming to fabricate high modulation bandwidth integrated optics modulators based on long-lasting EO polymers. The work mainly covered two subjects, on one hand the characterization of the microwave properties of polymers, both cladding and core dedicated ones, and on the other hand the chromophore orientation in the active polymers. These studies have been made in IEMN and IETR, respectively. Some modelling of optical and microwave guiding structures have also been completed using HFSS and OptiBPM softwares in order to give an insight into the design of Mach-Zehnder optical modulators. Concerning the first topic, specifically developed software is used in order to determine the microwave characteristics (permittivity and loss tangent) from the S-parameter measurement of microwave coplanar lines fabricated on polymers under investigation. These characteristics have been so obtained for about ten of different polymers up to 60 GHz. Test samples are then fabricated in almost real modulator fabrication conditions and polymer poling is made
using either Corona or contact electrode method. A simplified fabrication process has been developed in order a unique solvent to be used for all the different films composing the optical waveguide. An EO coefficient of 28 pm/V has been measured in an optical plan waveguide configuration.
Les polymères électro-optiques (EO) présentent un très grand potentiel pour la réalisation de modulateurs optiques de large bande passante et à faible signal de commande, grâce notamment à une meilleure adaptation de vitesse de phase entre ondes hyperfréquence et optique d’une part et à un coefficient EO élevé d’autre part. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR "ModPol" visant à réaliser des modulateurs
optiques à large bande passante à base de polymères EO stables dans le temps. L’étude a porté sur deux volets du projet, la caractérisation des propriétés hyperfréquences des polymères pouvant être utilisés comme matériaux de gaine et de coeur de guides optiques d’une part et l'orientation des chromophores dans les matériaux polymères actifs d’autre part. Ces études ont été respectivement menées à l'IEMN et à l'IETR. Quelques structures optiques et hyperfréquences ont aussi été simulées à l’aide des logiciels HFSS et OptiBPM afin d'apporter des éléments de conception concrets de modulateurs EO de type Mach-Zehnder. En ce qui concerne le premier volet, à partir de la mesure des paramètres S de lignes coplanaires réalisées sur des substrats recouverts de polymères, un logiciel d’extraction spécifiquement développé permet de déterminer la
permittivité et la tangente de pertes de ces derniers, ce jusqu’à 60 GHz. Les échantillons test sont alors préparés dans des conditions de fabrication très proches de celles de modulateurs, et l'orientation des chromophores est effectuée soit par effet Corona soit par électrodes de contact. Pour s’affranchir des multiples contraintes sur le choix des matériaux de gaine, un procédé de réalisation de guides plans avec un solvant unique a été mis au point. Un coefficient EO jusqu’à 28 pm/V a pu être mesuré sur un guide plan optique tri-couche.