Brevet FR2286507A1 — publié le 19760423

L'opto-électronique propose des émetteurs et des récepteurs de lumière comportant un cristal semiconducteur, dont une zone active forme le transducteur de lumière proprement dit. Ces dispositifs récents trouvent de nombreuses applicatisons simples et directes, très souvent pcur visualiser des informations. La télémétrie optique, et le domaine voisin des télécommunications optiques directionnelles, leur offrent au contredire des applications où les performances sont beaucoup plus critiques. Dans les télémètres optiques, on a déjà utilisé des fibres optiques afin de canaliser tout ou partie du faisceau lumineux. Une utilisation de ce genre apparaît dans le brevet français 1 474 toh au nom de la demanderesse. La présente invention donne une autre application des fibres optiques aux émetteurs et récepteurs de lumière, dans le but direct d'améliorer leurs performances temporelles. La de:-'ànderesse a observé que la zone active des diodes électr -luîinescentes raides est entourée, dans sa partie utile, de zones parasites. Ces zones parasites sont très gênantes lorsque la diode électro-luminescente est placée au foyer In système optique, pour réaliser une liaison optique à grande distance. Les sources parasites peuvent être la cause d'une erreur de visée entre ltér-.etteur de lumière et le capteur situé à l'autre bout de la liaison. En augmentant l'angle solide du faisceau lumineux transmis, elles réduisent la discrétion de la liaison. De plus, les sources parasites présentent aussi un comportement transducteur différent de celui de la source centrale, surtout pour ce qui est de la réponse temporelle. De la même façon, la demanderesse a observé que la plupart des éléments photosensibles tels que les photodiodes utilisées en télémétrie ont aussi des zones parasites. La zone active normalement prévue pour -capter les photons n'est pas seule sensible au rayonnement optique'. On peut observer aussi une zone parasite qui l'entoure. Cette zone parasi-te apporte tout d'abord du '!bruit lumineux" supplémentaire lorsquJelle reçoit de l'énergie optique ; en effet, couplée à un système optique, elle aura plus facilement tendance à percevoir des rayonnements étrangers à la liaison optique. Là aussi, les zones parasites présentent un temps de réponse très supérieur à celui de la zone active normale, ou zone centrale. L'invention propose une solution à ces inconvénients, par une application originale des fibres optiques, dans les dispositifs opto-électroniques comportant un cristal semiconducteur avec une zone active transducteur de lumière ; qu'il s'agisse d'un émetteur de lumière aussi bien que d'un élément sensible à la lumière, ou récepteur de lumière. Selon l'invention, une fibre optique est couplée optiquement à la zone active par l'une de ses extrémités, et un moyen opaque entoure le reste du cristal. De ce fait, il entoure aussi une partie de la fibre optique. Un tel dispositif opto-électronique peut être agencé en émetteur de lumière ; couplé à-un système optique d'émission, il s'applique alors à émission de-lumière dans un télémètre optique. Lorsque la zone active est au contraire sensible à la lumière, le dispositif peut être couplé à un système optique de réception pour constituer le récepteur de lumière d'un télémètre optique. La section de la fibre optique est alors aventageusement choisie telle que l'angle solide vu par le récepteur de lumière soit limité de façon prédéterminée, en tenant compte de l'angle solide d'émission et des caractéristiques de la liaison. Plus généralement, chaque fois qu'un dispositif optoélectronique est couplé à un système optique, en vue d'un rayonnement directionnel, le système optique est focalisé sur l'extrémité libre de la fibre- optique, et la section de la fibre optique est choisie pour limiter de façon prédéterminée l'angle solide vu-par le dispositif optoélectronique. Jans un premier er mode de réalisation, le cristal est monté sur un suporte auquel sont fixés aussi des conducteurs électriques vers différentes zones du cristal, et le moyen opaque comporte une pièce mécanique enfermant le cristal sur son support, cette pièce mécanique comportant un trou à travers lequel passe, collée, la fibre optique. Dans un second mode de réalisation, le cristal est monté de la même façon sur un support et une resine opaque enferme le cristal sur son support L'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faote en référence aux dessins annexés, sur lesquels :: - la figure 1 est une vue schématique en coupe, très agrandie, d'une diode électro-luminescente rapide du type classique utilisé en télémétrie ; - la figure 2 est une vue en coupe d'une diode du même genre montée sur son support, le moyen de protectier mécanique de la diode n'itant dependant pas représenté ; - la figure 3 illustre en vue de dessus la diode électro luminescente de la figure 2 ; - la figure 4 illustre dans les même conditions que la figure 3 une photo-diode ou diode sensible à le lumière, du type classique utilisé en télémétrie ; - la figure 5 illustre un premier mode de réalisation de l'invention ;; - la figure 6 illustre un second mode de réalisation de l invention et - la figure 7 illustre un mode de réalisation particulièrement avantageux dans le cas notamment d'un élément photo-sensible La figure 1 fais apparaître un cristal semiconducteur 1, par exemple constitué d'arséniure de gallium ayant une conductivité oe type N. Une zone active 2 est constituée dans le cristal, en d nnant ue conductivité de type P à une partie de ce dernier, par exemple par diffusion contrôlée zone impureté adéquate. Un premier conducteur électrique 3, représenté très schématiquement, va vers la zone-active 2, tandis qu'un second conducteur 4 aboutit au cristal 1 lui-même. Dans les semiconducteurs, l'effet de transducteur de lumière est dû à des échanges entre 1'énergie potentielle électrique des électrons et l'énergie de rayonnements électromagnétiques, c'est-à-dire de photons. Ces phénomènes sont réversibles en théorie, et l'art de la construction d'une diode électro-luminescente consiste a obtenir une structure qui présente le meilleur rendement de conversion dans le sens énergie électrique-énergie lur.ineuse. Ainsi, la zone active 2 de la figure 1 est capable d'émettre de l'énergie lumineuse dans toutes les directions, comme l'illustrent les flèches de la figure 1. Sur la figure 2 apparaît e plus un support 5 de la dioae électro-luminescente, qui dans cet exemple est traversé par un câble 5 contenant les deux conducteurs électriques 3 et 4. sn y voit aussi le cristal 1 sa zone active 2. On y voit encore que le conducteur 3 n'est pas directement en contact avec la zone active 2, mais au contraire par l'intermédiaire d'une métallisation superficIelle 7, qui fait le tour de la zone active 2. Le support 5 étant généralement opaque, seuls subsistent maintenant des rayonnements réfléchis vers le haut. Le rayon-eTent (a') continue è émaner directement de la zone active 2. Ce rayonnement est celui qui constitue la source normale ou utile, et le principal de l'énergie lumineuse. Toutefois, le reste du dessus du cristal constitue une zone parasite d'émission ae lumière (o). De me"me,le côté ru cristal donne une autre source lumineuse parasite (c), comme cela apparaît sur les figures 2 et 3. La figure 3 illustre de çon agrandie légèrement, et en vue de dessus, les phénomènes ae la figure 2. Pour simplifier le dessin, on a simplement identifié par des hachures sur la figure 3 ia source lumineuse normale (a) et les sources lumineuses parasites (b) et (c). Les configurations de source illustrées sur les figures 2 et 3 sont celles que lton obtient avec un cristal dont l'émission est faite directement par la face P, et qui est monté sur un support du type conventionnelleent désigné en électronique par les symboles T039 ou TOi 8. Bien entendu, les diodes émettant la lumière par le côté du cristal, ou encore des aiodes montées sur des supports d'un autre genre, seront le siège d'une configuration différente de la source lumineuse. La figure 4 illustre le cas d'une photo-diode analogue à la diode électro-luminescente de la figure 1. Un cristal 11 enferme encore une zone active 12 dopée avec un type de conductivité différent de celui du cristal 1. Les dimensions seront différentes, ainsi que le matériau semiconducteur. Un conducteur non représenté va vers le cristal, tandis que la zone active 12 est superficiellement circonscrite par une métallisation 17 à laquelle aboutit l'autre conducteur 13. Cette Qois-ci, l'art de la construction d'un élément sensible à la lumière consiste à privilégier très nettement, dans la zone active 12, le passage de l'énergie lumineuse à 11 énergie potentielle électrique des électrons. Ainsi, la zone active 12 constitue le capteur normal et utile (a). Le long du bord externe de la étalliation 17 se trouve une zone captrice parasite (b). Les solutions communes de l'invention pour les deux types de dispositifs opto-électroniques, à savoir émetteur ou récepteur de lumière, vont maintenant etre exposées en référence aux figures 5 à 7. Sur la figure 5, on retrouve le cristal 1, avec sa partie active 2. L'examen de la figure 5 montre que les dimensions de la partie active 2 ont été largement exagérées dans les figures 1 à 4, dans le but essentiel d'une meilleure illustration. En fait, elle est de très petite dimension, et la métallisation superficielle 7 est pratiquement d'épaisseur imperceptible à l'oeil. Une fibre optique 20 est placée verticalement par rapport au cristal, en contact avec sa zone active, ou très près de celle-ci, de façon que le couplage optique de la fibre avec la zone active soit bon, et que le couplage optique avec le reste du cristal à l'extérieur de la métallisation reste faible. La fibre optique est normalement choisie de-diamètre sensiblement égal à celui de la zone- active utile du dispositif opto-électronique. (Il s'agit de celle qu'on a désignée par (a) dans les figures i à 4). La fibre optique est très avantageusement du type dit composite, c'est-à-dire qu'elle est constituée d'un matériau conducteur de lumière présentant un fort indice de réfraction au coeur de la fibre (voisinage de son axe central), alors qu'il possède un indice de réfraction plus faible lorsqu'on s'approche de la paroi. Dans le mode de réalisation de la figure 5, la fibre optique traverse le trou central d'un disque 21. Elle est fixée au disque 21 par collage. Le disque 21 est lui-même fixé au support 5 par l'intermédiaire d'une entretoise cylindrique 23. Le disque 21 et l'entretoise 23 sont par exemple métalliques, et opaques à l'énergie optique. Ils constituent une pièce métallique, qui est ici le moyen opaque de l'invention. Ils peuvent être soudés l'un à l'autre et au bottier. Sur la figure 6 apparat un second mode de réalisation, ne différant du premier que par la constitution de son moyen opaque. Une paroi cylindrique 25 est soudée sur le pourtour du support 5 pour former une sorte de caisson, et ce caisson est rempli d'une résine 26, opaque à la lumière. L'extrémité de la fibre optique 20 débouche à l'extérieur de la résine. Dans l'un et l'autre modes de réalisation, le moyen opaque (21,23 ; 24,25) coopère avec le support 5 pour enfermer complètement le cristal, d'une façon totalement étanche à la lumière. La lumière ne peut alors passer que par la fibre optique 20, dont l'extrémité peut être considérée comme un "orifice" de la source ou du capteur de lumière. Les dispositifs opto-électronique transducteurs de lumière ici décrits en détail sont du type à émission directe par la face de la zone active, avec un boîtier TO18 ou TO39. Ces boîtiers comportent en général non seulement le support 5, mais aussi une encapsulation, par un capot métallique à fenêtre, ou encore à l'aide d'un matériau plastique au moins partiellement transparent. Cette encapsulation est bien entendu ôtée avant la mise en oeuvre de l'invention. On a précédemment indiqué que le diamètre de la fibre optique est de préférence choisi sensiblement égal à celui de la zone active du dispositif transducteur de lumière. Cette préférence tient à des considérations de rendement de transmission. Ainsi, bien qu'il puisse en être autrement sans s'écarter de l'invention, une diode électro-luminescente est normalement couplée à une fibre optique dont le diamètre est suffisant pour recouvrir toute la surface active émettrice de lumière, et déborder un peu sur la métallisation. Dans le cas d'un récepteur de lumière, la même raison liée au rendement du transducteur amène dans le cas général à prévoir une fibre optique recouvrant la zone active, et éventuellement la rétornant un peu. Cependant, une application particulière existe lorsque la diode sensible à la lumière est couplée à un système optique récepteur 30, comme cela est représenté sur la figure 7. Sur cette figure 7, les dimensions de la diode ont été largement exagérées, et on n'a pas représenté le moyen opaque, dans le but de clarifier le dessin. L'extrémité libre de la fibre optique 20, couplée à la zone sensible à la lumière 12, est placée au foyer du système optique de réception 30. Selon une caractéristique de l'invention, le diamètre de la fibre optique 20 est choisi égal à une fraction prédéterminée de celui de la zone sensible 12, bien que cela soit contraire au principe général impliquant l'utilisation de toute la zone sensible, dans le but d'une utilisation de photo-diodes de diverses surfaces actives. Si l'on utilise de façon classique la totalité de la surface de la zone sensible à la lumière d'une photodiode, seule une partie de cette surface sensible reçoit le rayon réfléchi utile pour la mesure de distance (modulé en tout ou rien), le reste de la surface active recevant de la lumière ambiante qui, à l'égard du signal de mesure, peut être considérée comme du "bruit". Ainsi, au détriment du rendement superficiel du transducteur, on associe aux photo-diodes de télémétrie une fibre optique de section plus petite que la surface de la zone active sensible à la lumière, pourvu que cette section soit compatible avec la distance focale au système optique récepteur 30. Bien-entendu, ceci peut s'appliquer non seulement en télémétrie, mais aussi plus généralement, chaque fois que e récepteur de lumière est couple à un système optique focal ; l'invention s'étend aussi au domaine des télécommu nications optiques. L'invention peut faire l'objet de nombreux autres modes de réavisation, non seulement en dehors du domaine de la télémétrie comme cela vient autre indiqué, mais aussi avec des dispositifs opto-électroniques transducteurs de lumière Tu se présentent d'une façon différente: autres boîtiers, autres aireotions d'émission, par exemple. REVENDICATIONS 1. Dispositif opto-électronique, comportant un cristal semiconaucteur avec une zone active transtucteur de lumière, caractérisé en ce qu'il comporte une fibre optique couplée optiquement à la zone active par l'une de ses extrémités, et un moyen opaque entourant le reste-du cristal. 2. Dispositif opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé an ce que ladite fibre optique est du type dit composite. 3. Dispositif opto-électronique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la zone active est agencée avec le cristal semiconducteur pour former un émetteur de lumière. 4. Application du dispositif de la revendication 3 comme émetteur de lumière dans un télémètre optique, où il est couplé à un système optique d'émission. 5. Dispositif opto-électronique selon l'une des revendications 1 et f, caractérisé en ce que la zone active est agencée avec le cristal semiconducteur pour constituer un élément sensible à la lumière qui le reçoit. 6. Application du dispositif de la revendication 5 comme récepteur de lumière dans un télémètre optique, où il est couplé à un système optique de réception. 7. Application selon la revendication S, caractérisée an ce que la fibre optique est prise avec une section choisie pour limiter de façon prédéterminée l'angle solide vu par le récepteur de lumière 8. Dispositif opto-électronique selon la revendication 5, comportant un système optique sensiblement focalisé sur le récepteur de lumière ou une image de ce dernier, caractérisé en ce que le système optique est focalisé sur l'extrémité libre de la fibre optique, et que la fibre optique est prise avec une section choisie pour limiter de façon prédéterminée l'angle solide vu par le récepteur de lumière. 9. Dispositif opto-électronique, selon l'une des revendicatios précédentes, dans lequel le cristal est monté sur un support auquel sont fixés aussi des conducteurs électriques vers les zones du cristal, caractérisé en ce que le moyen opaque comporte une pièce mécanique enfermant le cristal sur son support, ladite pièce mécanique comportant un trou à travers lequel passe, collée, la fibre optique. 10. Dispositif opto-électronique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le cristal-est monté sur un support auquel sont fixés aussi des conducteurs électri que vers les zones du cristal, caractérisé en ce que le moyen opaque est une résine opaque enfermant le cristal sur son support.