Brevet FR2177637A1 — publié le 19731109

La présente invention concerne un dispositif destiné à moduler en intensité un faisceau de lumière cohérente pouvant avoir une intensité trbs élevée. I1 est essentiellement caractérisé par l'emploi d'un couplage directionnel entre une couche mince de matière transparente guidant la lumière cohérente à moduler et une jonction semi-conductrice P-N électroluminescente, limitée en dimen ions par ailleurs de telle sorte telle forme un résonateur dont les caractéristiques de fréquence propre et de surtension (facteur de qualité) varient en fonction d'une tension électrique modulatrice appliquée aux bornes de la diode dans laquelle est comprise la jonction P-N. Selon une variante de réalisation de l'invention, la couche mince guidant les ondes lumineuses peut se réduire à une fibre optique. Par ailleurs, le couplage directionnel us-mentionné peut être constitué par un semi-réflecteur ayant pour effet de donner à l'onde réfléchie par le résonateur une direction distincte de celle de l'onde incidente. I1 est connu que, lorsqu'on fait réfléchir une onde lumineuse sur un résonateur, la phase de l'onde réfléchie varie rapidement en fonction de 1 l'écart entre la fréquence de l'onde incidente et la fréquence de résonance propre du résonateur. L'invention met à profit cette propriété pour moduler en phase l'onde incidente.Par ailleurs, le module du coefficient de réflexion variant avec la surtension du résonateur, on peut, dans certains cas, obtenir un coefficient de réflexion nul, c'est-àdire absorber complètement 11 onde incidente. L'ivention met ainsi à profit cette seconde propriété pour produire la modulation d'amplitude désirée. La fréquence propre et la surtension du résonateur sont réglées par la tension modulatrice appliquée à la diodes ainsi que cela va être montré ci-après.La surtension peut d'ailleurs devenir négative si l'on augmente suffismnient le courant tr@versant la diode; la réflexion se fait alors avec -amplification d'où la possibilité d'application du système de l'ir- vention comme répéteur. Toutes ces applications sont rendues possibles par les propriétés des diodes électroluminescentes. - On sait que les dioles électroluminescentes peuvent émettre de la lumière cohérente lorsqu'elles sont traversées par un courant d'intensité supérieur à une certaine valeur dite "de seuil". Le milieu intérieur à. la jonction se comporte alors comme une résistance négative répartie. - Si le courant diminue au-dessous du seuil, les ondes lumineuses de fréquence voisine de celles précédemment émises par ces diodes sont absorbdes par les porteurs libres. Le milieu irlterieur à la jonction se comporte alors comme une résistance positive répar- tie, et la lumière qui s'y propage subit une atténuation variant avec la tension appliquée.Si l'on inverse la polarité de la tension appliquée à la diode elle se comporte comme une capacité variable en fonction de la tension appliquée pour les ondes dont les longueurs onde sont grandes par rapport aux dimensions de la jonction.Autrement dit la constante diélectrique du milieu et par suite son indice de réfraction optique sont fonctions de la tension appliquée. La vitesse de phase des ondes lumineuses qui se propagent dans la jonction varie alors avec la valeur de l'indice, ce qui permet d @ d'obtenir une variation de la fréquence propre du résonateur entraînant une modulation de phase. Les applications ainsi rendues possibles sont nombreuses on peut par exemple réaliser un commutateur par "tou-t ou rien" de faisceau lumineux v l'aide de deux modulateurs de phase déphasant de + 45 degrés et d'un se, réflecteur. On peut également moduler le faisce -u lumineux en amplitude si la tension de coma-.nde v@rie entre une valeur pour laquelle le résonateur se présente comme une réact@nce pure et une autre valeur pour laquelle le résonateur absorbe toute la puissance reçue.En fais-ant interférer sur t semi-réflecteur deux ondes lumineuses de fréquence a@gulaire #, modulées l'une en cos # t, l'autre en sin # t (# étant la fréquence angalaire de la modulation) on obt@ent deux ondes lumineuses d'amplitude constante et de fréquences angulaires (# + #) pour l'une et (# ~ #) pour l'autre. Selon une au-tre caractéristique, le système de l'invention peut entre utilisé en amplificateur si 15. tension appliquée à la diode est telle lue la résistance interne répartie dans la jonction soit négative. dans ce c@s on peut produire des trains d'impulsiens lumineuses en appliquant à la diode une tension de forme d'@nde rectangulaire de fréquence convenable. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée donnée ci-après, faite avec l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 représente une diode électroluminescente; - la Fig. 2 représente la marche des rayons lumineux dans le plan P-N de la diode; - la Fig. 3 représente un ensemble optique incorporant deux diodes et fonctionnant en modulateur; - la Fig. 4 représente un dispositif coenprenant plusieurs modulateurs montés en cascade et réalisant une commutation du faisceau; - la Fig. 5 représente un dispositif analogue à celui de la Fig. 3, mais réalisé sous forme dite "intégrée". de référant d'abord à la Fig. 1, on voit sur celle-ci les électrodes 1 et 2 de la diode, entre lesquelles est appliquée Ja tension modulatrice. On a repéré le plan médian de la jonction p~;T (qui a quelques microns d'épaisseur) pr les axes Ox,Oy. La matière semi-conductrice de la diode est taillée pour former un bloc à qutre faces planes et polies perpendiculaires au plan O x y. L'une des faces, située en arrière de la figure, est en contact avec le guide constitué par une couche mince transparente 3 d'indice optique nettement supérieur à celui des couches 4 et 5 qui l'encadrent. La Fig. 2 montre la marche des rayons lumineux dans le système de la Fig. 1. On y reconnaît les axes Ox,Oy par rapport auxquels est repéré le plan médian de la jonction P-T, désignée par 6, tandis que le guide de lumière est désigné par 3. Les faces polies de la jonction apparaissent sur la Fig. 2 comme le périmètre du rectangle 6. La meilleure façon d'obtenir des faces pl;tnes rec@angulaires ay.-t:'t un poli parfait est de cliver le cristal formant la diode. La marche du rayon lumineux centrul du faisceau est indiquée par des flèches; à l'intérieur de la jonction, sa direction est parallèle aux diagonales du rectangle 6. Désignant maintenant par a et b les dimensions des côtés du rectangle 6, par 5 la constante diélectrique apparente de la matière constituant la jonction P-N soumise à la tension de modulation; désignant par # longueur d'onde dans le vide pour l'onde incidente et par p et q deux nombres entiers, il y aura résonance si N a une valeur voisine de la valeur 2 définie @ Le très léger écart entre N et # dépend du coefficient de réflexion du semi-réflecteur 7. De façon plus précise, ce semi-réflecteur peut être réalisé à l'aide de couches minces d'indices de réfraction différents. Négligeant les pertes, on peut toujours définir des plans de référence par rapport auxquels les coefficients de réflexion p et de transmission # peuvent s'écrire sous la forme (2) | g = cos u e jv ≈ = j sin u e j avec u e (les paramètres u et v étant réels). Dans ces conditions, désignant par (t + j ss) la constante complexe de propagation dans la jonction P-N, on peut démontrer que le rapport complexe r entre l'amplitude du faisceau sortant de la cavité représentée Fig. 2 et l'amplitude du faisceau incident prise comme unité est donné par En faisant varier la tension appliquée à la diode on fait varier les coefficients &alpha; et On remarque que si (ss #- v) est un multiple entier de et que Si e &alpha; # est égal à cos u l'intensité du rayon réfléchi est nulle (r= o). La totalité de la lumière incidente est alors ahsorbée par la diode.Si l'on fait varier &alpha; et ss, autour des valeurs critiques ainsi définies, de quantités trbs petites et #ss on a : Si #&alpha; et #sssont des fonctions linéaires de la tension modulatrice, on peut obtenir une modulation d'amplitude passant par la valeur zéro.Si par exemple la tension modulatrice varie sinu soidalement selon une loi en (cos #t)', t autour de-la tension continue qui assure l'absorption totale de la lumière par la diode, l'amplitude complexe du rayon réfléchi est alors s (5) r = k ej#t cos (t désignant le temps) Selon une caractéristique de l'invention on peut mettre à profit cette propriété pour obtenir un changement de fréquence. Plus pr@cisément, partant d'une lumière cohérente de fréquence angulaire # , on peut engendrer deux faisceaux lumineux de fréquences angulaires respectives (# + #) et (# - #), en modulant la lumière incidente, de fréquence anguluire W , à l'aide d'une source de fréquence angulaire #, au moyen du dispositif illustré pur la Fig.3. Sur cette figure on distingue deux diodes modulatrices 10 et 1 et deux miroirs semi-réfléchissants 12 et i3 ayant les coefficients de transmission et de réflexion donnés par les formules (2), où l'angle u prend la valeur de 45 degrés, ce qui signifie que lorsqu'un rayon tombe sur l'un de ces miroirs la puissance réfléchie est égale à la puissance transmise. Sur la Fig. 3,la trajectoire des faisceaux lumineux a été indiquée en traits pleins, et leurs intensités complexes en différents points ont été désignés par xO x11y1, x2,y2, x3,y3. Les diodes 10 et @1 modulent les ondes qu'elles reçoivent en cos#t et sin#t, respectivement. Le déphaseur réglable 14 met en phase les ondes d'amplitudes complexes : x2 = k ej#t cos#t (6) y2 = k ej#t sin#t qui se dirigent simultanément vers le seli-reflecteur 13. Dans la formule (6), k désigne un coefficient constant et t le temps. Selon les lois connues de la réflexion, on a ce qui donne pour x7 et @3 des amplitudes complexes proportionnelles à exp t désignant le temps. Selon une variante de réalisation de l'invention, les odes de fréquence angulaire # peuvent être des ondes centimétriques engendrées par un klystron et attaquant deux cellules de modulation à travers deux lignes dont la différence de longueur est égale au quart de la longueur d'onde des ondes engendrées par ce klystron. Selon une autre variante, l'onde incidente d'intensité x o est une onde lumineuse visible,et l'on ajoute ou retranche à sa fréquence, la fréquence d'une onde de fréquence différente, par exemple une onde millimétrique. Cette dernière est introduite comme une onde lumineuse suivant la direction yo (Fig. 3) et module l'onde lumineuse proprement dite à l'intérieur des cellules 10 et 11. Selo@ une autre réalisation de l'invention, on obtient un modulateur de phase en réglant la valeur moyenne de la tension @odulatrice de façon que le coefficient de tr-tnsmission de l'onde parcourant le trajet en losange de la Fig. 3 dans la cellule de modulation soit nettement différent en module de cos u (voir formule (2) ci dessus), que l'atténuation soit aussi faible que possible (&alpha; négli eable) et que les variations de la tension appliquée -i d diode fassent varier l'indice (c'est-à-dire le coefficient p) d'une quantité #ss. La variation # # qui en résulte d'après lo formule (3) s 'écrit alors :: en po@@nt x = cos u - e est infini pour x nul c'est-à-dire lorsque cos u = e ~ . de cas déjà étudié correspond à une modulation d'amplitude pa lent par zéro mais e convient pas à la modulation de phase. Lorsque l'on veut construire un modulateur de phase, il convient de rechercher un compromis entre une valeur de x assez petite Uour ĕ 7e modulateur soit sensible e t une valeur de x assez grande @our que le re@dement ne soit p@s trop faible. La formule (8) est v@lable avec une bonne approximation pour les modulations de phase d'amplitude + 45 degrés nécessaires à l'obtention d'une commutation (ou interruption) du faisce@u. Pour réaliser une telle commutation, on utilise le schéma de la Fig. 3, où les diodes 10 et 11 ne fournissent plus une modulation en amplitude, mais une modulation en phase, l'une produisant une avance de 45 degrés pendant que l'autre produit un retard de 45 degrés. Dans ces co@ditions, si le déphaseur 14 est réglé de manière que les ondes d'amplitude complexe x2 et y2 qui tombent sur le semi-réflecteur 13 soient en phase, la totalité de la puissance relative à ces deux ondes sortira du système portée par l'onde d'amplitude x3 ou bien portée par l'onde d'amplitude y3 selon que c'est x2 qui est en avance de phase de 45 degrés sur y2, ou bien l'inverse. Suivant une autre réalisation de l'invention on peut disposer en cascade plusieurs dispositifs analogues à celui qui vient d'être décrit pour réaliser la commutation d'un faisceau lumineux entre un grand nombre de positions. La Fig. 4 illustre une telle mise en cascade. Les cellules désignées par 20, 21, 22 sur cette figure sont en tous points identiques à celle décrite Fig. 3. Le système peut se généraliser et permet de commuter très rapidement un faisceau lumineux entre de nombreuses positions. Il est à remarquer que, pour obtenir une modulation de phase sans pertes excessives, il faut que la tension de sens direct appliquée à la diode soit très faible ou, mieux encore, soit une tension de sens inverse. Pour obtenir la modulation par absorption que l'on a décrit. plus haut il faut que la tension appliquée soit faible. Si l'on augmente cette tension appliquée suffisamment pour que l'atténuation devienne négative mais pas assez pour que lasdiode émette de la lumière, le montage schématisé par la Fig. 3 fonctionne en amplificateur (selon la formule (3) où Cc négatif correspond alors à rli), Le système fonctionne alors en ampli ficateur.On peut ainsi utiliser le montage comme répéteur et, si la transmission se fait par impulsionscodées, en profiter pour régénérer la forme d'onde des impulsions. Pour ce faire il suffit que la tension delpolarisation appliquée aux diodes soit en forme de signaux rectangulaires périodiques de façon à n'amplifier que pendant les temps assignés aux impulsions, les durées intermédiaires Jutant soumises à un effet de seuil pour éliminer le bruit. La Fig. 5 illustre une variante de réalisation de l'invention dans laquelle la lumière se propage dans des fibres de verre 32 formant un guide constitué par un verre d'indice optique nettement supérieur à celui du verre qui supporte l'ensemble de l'installation. Dans ces conditions on peut obtenir que la lumière se propage sous forme d'onde TE01 comme cela a lieu dans les guides rectangulaires utilisés en ondes centimétriques.Lorsque de telles fibres sont très rapprochées, comme c'est le cas dans l'espace compris entre le plan de référence 34 et les diodes 30 dt 31 ou entre les diodes 30. et. 31 et le plan de référence 35, il existe entre les guides un couplage dépendant de la longueur des él@ments couplés; on choisit alors la longueur de couplage pour qu'une onde entrante, lancée dans le guide 32 en avant du plan 34, ait sa puissance également répartie dans les guides 32 et 33 dans le pln où les guides entrent en contct avec les diodes 30 et 31; dans ces conditions les intensités x3, y3 des ondes qui parviennent @ux diodes sont liées par la relation (7) aux inten- sités x2 y2 des ondes lare es dans les guides 32 et 33 au niveriu du plan 34. L'espace où les guides rayonnent nutuellement l'un vers 1 l'autre joue alors exactement le même rôle que le miroir semi-réflechissant 12 de la Fig. 3. De même l'espace compris entre les diodes 3t, 31 et le plan 35 joue le même rôle que le semiréflecteur 13 de la Fig. 3. Les couplages 37 et 38 entre les guides et les diodes 3O,31 jouent un rôle analogue à celui du semi-réflecteur 7 de la Fig. 2. Ainsi se trouvent réalisés sous une forme intégrée les dispositifs précédemment décrits. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Dispositif de modulation d'un faisceau de lumière cohrente, utilisant au moins une diode semi-conductrice électroluminescente ayant une jonction P-N et limitée sur ses faces latérales par quatre plans de clivage perpendiculaires entre ex ainsi qu'au plan de la jonction P-N, car@ctérisé par des moyens de guidage optique dirigeant ledit faiceau obliquement ou direc tion-nellement sur l'une desdites focs, et en ce qu'une tension électrique modulatrice est appliquée à ladite jonction P-N. 2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la valeur de ladite tension est choisie pour produire une modulation d'amplitude. 3.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la valeur de l dite tension est choisie tour produire une modulation de phase. 4.- Dispositif selon la revendication 3, comprenant deux dispositifs produisant chacun une modulation do phase de 45 degrés, dans lequel ces deux derniers dispositifs sont combinés avec un miroir semi-réflecteur pour réaliser un commutateur de lumière. 5.- Dispositif selon 1 revendication 1, comprenant des moyens de guidage optique divisant un faisceau de lumière cohérente en deux faisceaux de fleme puissance dirigés respective @eut sur l'une et l'autre de deux diodes électroluminescentes ainsi que des moyens de recombiner optiquement les rayons réfléchis par lesdites diodes. 6.- Dispositif selon la revendication 5, utilisable comme changeur de fréquence, dans lequel ladite tension modulatrice est une tension alternative de fréquence prédéterminée. 7. Dispositif selon la revendication 5, utilisable comme commutateur de lumière, dans lequel ladite tension est une tension continue.