Elaboration et caractérisation de composites polymètes incorporant des nanoparticules en vue de la réalisation des composants opto-hyperfréquences à hautes performances

Elaboration and characterization of polymer composite films loaded with nanoparticles aiming at realizing high performances microwave photonic components

• Auteur / Autrice : Den God Frez Palessonga
• Direction : Hong Wu Li, Benoît Guiffard, Mohammed El Gibari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optoélectronique, micro-onde, matériaux fonctionnels
• Date : Soutenance le 29/09/2017
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Abdelhadi Kassiba
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : El Hadj Dogheche, Laurent Lebrun, Christophe Galindo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique hyperfréquence

Nanoparticules de silice

Chromophores

Mots clés libres

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Résumé

Grâce à une très bonne adaptation de vitesse entre signaux hyperfréquences et ondes optiques dans les matériaux polymères et au progrès dans la synthèse de chromophores de forte hyperpolarisabilité, les polymères électro-optiques offrent la possibilité de réaliser des composants opto-hyperfréquences bas coût avec une large bande passante et un faible signal de commande. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte général de la recherche sur les composants opto-hyperfréquences à base de polymères et dans le cadre particulier du projet régional ADC PolyNano visant l’étude et la réalisation d’un convertisseur analogique-numérique sur polymère électro-optique chargé avec des nanoparticules. Les travaux de cette thèse ont porté sur deux volets, l’élaboration ainsi que la caractérisation optique, hyperfréquence et électro-optique d’un matériau hybride constitué par l’association de matériaux organiques (polymère électro-optique) avec des matériaux inorganiques (nanoparticules de carbure de silicium (SiC) et de dioxyde de titane (TiO₂)). Le dépôt des films minces hybrides a été effectué à partir de suspensions de qualité contrôlée. L’étude de l’influence des nanoparticules sur les propriétés hyperfréquences et optiques a montré la possibilité d’augmenter la bande passante des composants opto-hyperfréquences à réaliser à base de polymère électro-optique. Par exemple, avec le PMMA-DR1 chargé de 1% de nanoparticules TiO₂ et une longueur typique d’interaction électro-optique de 2 cm, la bande passante de modulation atteindrait 258 GHz si elle n'était pas limitée par des pertes hyperfréquences des électrodes de commande utilisées.

Thanks to a very good velocity matching between millimeter and optical waves in polymeric materials and progress in the synthesis of high hyperpolarizability chromophores, electro-optic polymers offer the possibility to realize low-cost microwave photonic components with a very broad bandwidth and a very low driving signal. This thesis is included in the general context of the research about microwave photonic components based on polymers and in the particular context of the ADC PolyNano project. The objective of this project is the study and the realization of analog to digital converter based on electro-optic polymer loaded with nanoparticles. In order to realize high performances microwave photonic components, the work mainly focused on two subjects, elaboration as well as optical, microwave and electro-optic characterizations of hybrid polymers based on organic materials (electro-optic polymer) and inorganic materials (silicon carbide nanoparticles (SiC) and titanium dioxide nanoparticles (TiO₂)). The hybrid thin films were deposited by spin coating from controlled nanoparticles suspensions. The study of the influence of nanoparticles loading on microwave and optical properties of polymers showed the possibility to increase the modulation bandwidth of microwave photonic components based on electro-optic polymer. The bandwidth could be very large. For example, with 1wt% of TiO₂ nanoparticles in PMMA-DR1 and a typical length of electro-optic interaction of 2 cm, the modulation bandwidth would achieve 258 GHz if it was not limited by microwave losses.