Nanocomposites à effet électro-optique pour des composants opto-hyperfréquences hautes performances

Electro-optic nanocomposites for high performance microwave photonic components

• Auteur / Autrice : Zahraa Jradi
• Direction : Hong Wu Li, Olivier Chauvet, Mohammed El Gibari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/09/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Alain Sylvestre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Algani, Cécile Zakri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biréfringence

Nanoparticules

Chromophores

Composites polymères

Mots clés libres

Polymères électro-optiques

Caractérisations optiques et hyperfréquences

Electro-optic polymers

Microwave and optical characterization

Résumé

Les polymères électro-optiques (EO) sont des composites d’une matrice polymère et des molécules optiquement actives appelées chromophores. Ces derniers induisent une anisotropie optique dans les composites après leur alignement sous champ électrique. Leur faible coût de fabrication ainsi que la bonne adaptation de vitesse de phase entre les ondes hyperfréquences et optiques offrent l’avantage de fabriquer des composants opto-hyperfréquences ultra large bande avec une faible tension de commande, tels que modulateurs optiques. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre du projet régional SPEED. Dans cette thèse, nous étudions, dans un premier temps, le système hôte-invité PMMA-DR1 afin de déterminer les propriétés optiques, hyperfréquences et EO en fonction de la charge en chromophore DR1. Dans un second temps, des nanocomposites sont fabriqués par dispersion de nanoparticules dans le polymères EO PMMA-DR1. Deux types de nanoparticules sont utilisés dans notre étude, TiO2 isotropes et BaTiO3 anisotropes présentant l’effet Pockels. L’étude de l’influence de l’ajout de nanoparticules sur les propriétés optiques et hyperfréquences a montré une amélioration de ces propriétés et une possibilité d’ajuster l’accord de vitesse de phase entre les ondes hyperfréquences et optiques. Une nette amélioration de de l’effet Pockels par ajout de nanoparticules de BaTiO3 a été obtenue d’après nos mesures du coefficient EO par la technique M-lines. Une modélisation COMSOL a également été réalisée afin d’étudier les effets électrostatiques des nanoparticules.

Electro-optic (EO) polymers are composites of a polymer matrix and optically active molecules called chromophores. The latter induce an optical anisotropy in the composites after their poling. Their low manufacturing cost as well as the good matching of phase speed between the microwave signals and optical waves offer the advantage of manufacturing opto-microwave components with a wide bandwidth and a low driving voltage, such as optic modulators. The work of this thesis is part of the regional project SPEED. In our work, we first study the host-guest system PMMA-DR1 in order to assess the optical, microwave and EO properties as a function of DR1 loading. Then, nanocomposites of EO polymers are made by dispersing nanoparticles in the EO polymer PMMA-DR1. Two types of nanoparticles are used, TiO2 isotropic and BaTiO3 anisotropic exhibiting the Pockels effect. The study of the influence of the addition of nanoparticles on the optical and microwave properties has shown an improvement in these properties and consequently a possibility of adjusting the phase velocity matching between the microwave and optical waves. A clear improvement of the Pockels effect by adding BaTiO3 nanoparticles was obtained according to our measurements of the EO coefficient by the M-lines technique. COMSOL modeling was also carried out to study the electrostatic effects.