TP4 : LCD et modulation électro-optique

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1 TP4 : LCD et modulation électro-optique Licence Professionnelle Optronique Plate-forme optique ufr de physique Avertissement Sécurité : Les lasers utilisés en tp sont de classe ii ou iiia. Diriger toujours le laser vers un écran. Attention aux réexions sur les faces de lentilles. Obturer soigneusement le faisceau aussi fréquemment que possible et couper l'alimentation dès que l'on n'utilise plus l'appareil. Protection du matériel : pour préserver les optiques, souvent recouvertes d'une couche anti-reet fragile, il ne faut jamais poser les doigts dessus. Lorsque le matériel apparaît sale, appeler l'enseignant qui jugera s'il convient de le nettoyer. 1 Acheur à cristaux liquides 1.1 Principe Le principe d'un acheur à cristaux liquides Liquid Crystal Display LCD est décrit sur la gure10. Il utilise la propriété d'une mince couche de dipôles macromolaires allongés, qui ont naturellement tendance à s'orienter parallèlement les uns aux autres. Ces molécules peuvent aussi s'orienter parallèlement à une surface rayée parallèlement à une direction. La cellule est fragile (épaisseur de quelques dizaines de microns), ses fenêtres supérieure et inférieure sont conductrices et rayées dans des directions perpendiculaires. 1

2 Figure 1 - Les macromolécules allongées de cristaux liquides nématiques sont naturellement anisotropes et font tourner le plan de polarisation. Sous l'action d'un champ électrique, les molécules s'orientent dans la direction de la lumière et le cristal liquide n'a plus d'action polarisante. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre les deux fenêtres, les molécules de cristal liquide s'orientent de telle sorte que le plan de polarisation de la lumière tourne de 90 (Fig.1 à gauche). Lorsqu'une tension continue de 3 à 5 V est appliquée, les molécules s'orientent perpendiculairement aux électrodes, soit parallèlement à la direction de propagation de la lumière. Elles ne font plus tourner le plan de polarisation (Fig.1 à droite). 1.2 Propriétés de polarisation L'acheur est constitué de l'empilement suivant : - le lm polariseur de devant (P1) - la cellule à cristaux liquide (CL) - le lm polariseur de derrière (P2) - le lm rééchissant (M) Les lms ont été partiellement retirés sur diérentes zones pour permettre d'étudier le fonctionnement de l'acheur (Fig.2). Chaque zone correspond à un digit. zone 1 : P1/CL/P2/M (pour une étude par réection) zone 2 : P1/CL/P2 (pour une étude en transmission) zone 3 : P1/CL zone 4 : CL Figure 2 - Schéma de l'acheur utilisé en travaux pratiques Les cristaux liquides sont arrangés en sept segments pour acher le chire 8. Réalisez le montage optique Fig.3 en lumière blanche ltrée par un verre anticalorique, permettant d'obtenir sur un écran l'image de l'acheur. Avec deux polariseurs, étudiez les propriétés de polarisation des quatre zones de l'acheur. Appliquez une tension alternative de 8V de crête à crête (sans composante continue) et de 100Hz. étudiez et commentez les propriétés de polarisation de l'acheur. 2

3 Figure 3- Montage pour l'étude de l'acheur à cristaux liquides 1.3 Vitesse de transition Pour étudier plus en détail les propriétés d'un segment de l'acheur (sur la zone 2), on utilise un laser He-Ne polarisé et comme détecteur une photodiode munie d'un amplicateur (saturation 9 V). Pointez le laser sur un segment de la zone 2 de la cellule, placez derrière la photodiode. Appliquez très progressivement une tension continue U entre 0 et 6 V, mesurez point par point la réponse V (U) de la photodiode à l'oscilloscope. Tracez la variation du coecient de transmission T (U) déni par : T = V (U) V min V max V min Répétez cette expérience en appliquant une tension en dents de scie à très basse fréquence et obtenir le cycle d'hystérésis V(U) en faisant varier U de -10V à +10V en AC. Commentez ce résultat en augmentant progressivement la fréquence. Déterminez à partir de quelle fréquence l'hystérésis disparaît. Conclure sur l'utilisation des cristaux liquides en régime dynamique. 2 Modulateur électro-optique 2.1 introduction Dans de nombreux systèmes optiques on a besoin de modier ou moduler temporellement l'amplitude, la phase, la direction ou la fréquence d'une onde lumineuse. Une technique possible pour moduler la lumière est de modier les propriétés optiques du matériau dans lequel elle se propage. Cette partie du TP aborde le cas particulier où ce changement se fait à l'aide d'un champ électrique via l'eet electro-optique (EO). Cet eet EO va permettre de faire tourner la polarisation d'une onde lumineuse (initialement polarisée rectilignement). Cette modulation est proportionnelle à l'amplitude du champ électrique appliqué au milieu electro-optique. On peut ainsi transformer une modulation optique et transmettre optiquement de l'information électrique (signal radio par exemple). 2.2 Modulateur à eet Pockels Un cristal isotrope est un matériau dont l'indice de réfraction est le même dans toutes les directions de l'espace. En général, les cristaux sont anisotropes car les forces de liaisons atomiques sur les nuages électroniques sont diérentes selon les directions de l'espace et il en résulte que les indices de réfraction varient également. La biréfringence naturelle est la diérence d'indice de réfraction. Elle s'écrit : 3

4 n ik = n k n i avec n i et n k les indices de réfraction dans les directions i et k respectivement. C'est le cas du cristal de LiNbO 3, qui est un cristal uniaxe. Son indice de réfraction est alors décrit dans le repère optique du cristal par le tenseur suivant : avec n = 2, 285 et n = 2, 200, ces indices sont appelés indices de réfraction n n = 0 n n e 0 e principaux du cristal. L'application d'un champ électrique au cristal de LiNbO 3 entraîne la réorientation des électrons, des molécules ou des ions par modication de la polarisation électrique du milieu. Ce réarrangement macroscopique provoque la modication des indices de réfraction principaux du milieu. Ce phénomène est appelé eet électro-optique et la biréfringence induite est données par : n jk = 1 2 n3 k r αe p. avec r α est le coecient électro-optique et E p l'amplitude du champ électrique appliqué dans la direction p. Dans notre cas, la propagation de la lumière se fait suivant l'axe Z et le champ électrique appliqué au cristal suivant Y (gure 4). Le coecient mis en jeu est noté r 22. Dans ces conditions, l'indice de réfraction est décrit dans le repère optique du cristal par : n = n n3 0 r 22E appliqu n n3 0 r 22E appliqu n e Il y a 3 indices de réfraction principaux diérents, le cristal devient donc biaxe. Il introduit alors un déphasage ϕ entre les composantes principales de la polarisation d'une onde lumineuse se propageant selon l'axe Z. On notera L = 40mm la longueur du cristal (axe Z) et d = 3mm sa largeur (axes X et Y). On peut alors montrer que le déphasage ϕ s'écrit : ϕ = ϕ y ϕ x = 2π λ n3 0 r V 22 d L qu'on peut mettre sous la forme ϕ = r 22 A V Donnez l'expression de A et calculez sa valeur numérique. Donnez l'expression de la valeur V π, tension permettant d'avoir un déphasage de π. Faire une application numérique avec r 22 = 6, m/v. Ce modulateur électro-optique associé à une lame quart d'onde va se comporter comme une lame demi-onde pilotée électroniquement. En d'autres termes, il va nous permettre de faire tourner une polarisation rectiligne d'un angle proportionnel à la tension appliquée au cristal de LiNbO 3. Le dispositif utilisé pour cela est le suivant : 4

5 Figure 4 Dans le montage P L est telle que θ = 45 c'est à dire que la direction de polarisation fait un angle de 45 avec les axes neutres du cristal de LiNbO 3. Dans ce cas, quand on applique un champ, de quel type sera la polarisation en sortie du modulateur? Comment placer une lame quart-d'onde pour obtenir à nouveau une polarisation rectiligne? Pour moduler l'intensité lumineuse, on ajoute à ce dispositif un polariseur P qui fait un angle β avec la polarisation P L en sortie de laser, c'est-à-dire avec l'axe a du système. On a donc le dispositif suivant : Figure 5 A partir de la loi de Malus on peut montrer que la fonction de transfert du système est : I = I [1 + cos (ϕ 2β)] (toujours pour θ = 45) 2 5

6 Cette fonction de transfert est représentée ci-dessous en fonction de la variable ϕ(v ) 2β qu'on peut faire varier soit en tournant le polariseur (angle β), soit en faisant varier la tension V appliquée au cristal. Figure 6 Dans la pratique la tension V appliquée au cristal peut être constituée d'une composante continue V dc et d'une composante alternative V ac (modulation) soit : V = V dc + V ac (t) = V dc + V m sin (ω m t) Dans ce cas le déphasage engendré par le modulateur EO est : ϕ = ϕ dc + ϕ m sin (ω m t) L'intensité transmise dans le système est alors : I = I 2 [1 + cos (ϕ dc 2β + ϕ m sin (ω m t))] Figure 7 6

7 2.2.1 Manipulations Modulation d'amplitude en fonction de β Pour une tension continue nulle sur le cristal, relevez la valeur du signal mesuré à l'oscilloscope (proportionnel à l'intensité lumineuse transmise I), en fonction de l'angle β du polariseur, variant de -90 à +90 (prendre plus de points près des extréma). Tracez la courbe I = f(β). Quelle loi avez vous tracé? Modulation d'amplitude en fonction de V cd Allumez l'amplicateur de tension du modulateur EO. Placez-vous au point de fonctionnement M 0 à l'aide de l'analyseur. Relevez la valeur de la tension aux bornes du détecteur en fonction de la tension continue appliquée au modulateur variant de -500 à +500 Volts. Tracez la courbe la courbe I = f(v dc ) Caractéristique de l'intensité optique transmise pour une tension EO sinusoïdale Nous venons de voir que par rotation du polariseur (β) ou par application d'une tension continue, nous pouvons nous déplacer sur la fonction de transfert du système, c'est-à-dire faire varier le terme ϕ(v ) 2β. Nous allons maintenant étudier les diérents points de fonctionnement de celle-ci Ramenez la tension continue à zéro. Mettez en route le GBF interne à l'amplicateur de tension, réglez sa fréquence à 1kHz et visualisez ce signal de modulation en reliant la sortie 1% à l'oscilloscope. A l'aide de la courbe I = f(β) obtenue précédemment, placez vous aux diérents point de fonctionnement M 0 et M 0 (voir gure 7) Quelles sont les caractéristiques (fréquence, phase) des courbes obtenues sur l'oscilloscope? Interprétez à partir de la fonction de transfert du dispositif optique. En déduire le meilleur point de fonctionnement pour moduler la lumière en vue de faire une transmission optique. Transmission par bre optique Maintenant, on vous propose de réaliser une télécommunication audio par bre optique. Pour cela, au lieu de moduler la lumière en entrée de bre par une simple sinusoïde, nous allons la moduler par un signal audio (sortie de radio). Vériez que vous êtes bien au point de fonctionnement M 0 an d'avoir un taux de modulation du signal lumineux maximum et également un minimum de distorsion du signal (zone linéaire). Allumez la radio et connectez sa sortie sur la borne GBF externe de l'alimentation de l'eo, sur laquelle vous aurez basculé en modulation externe. Connectez la photodiode à la borne entrée et le haut parleur à la borne sortie (partie gauche de l'alimentation de l'eo). Vous devez entendre la musique! Vériez que lorsque vous coupez le signal optique vous n'avez plus de transmission audio. Changez de point de fonctionnement. Quelle est la répercussion sur la qualité du signal transmis par la bre optique?. 7