Brevet FR2365819A1 — publié le 19780421

La présente invention concerne les procédés et dispositifs de modulation électro-optique en hyperfréquence d'un faisceau de rayonnement monochromatique, utilisant un composant semiconducteur susceptible d'osciller en hyperfréquence. On connaît déjà des dispositifs- de modulation electrooptique permettant en particulier de moduler le faisceau lumineux fourni par un laser, qui comporte une diode Gunn en arseniure de gallium dopé, dont deux faces opposées sont polies optiquement et montées pour être successivement traversées par le faisceau. A condition que l'énergie des photons du faisceau soit inférieure å la largeur de la bande interdite du matériau constitutif de la diode Gunn, et proche de celle-ci, on peut moduler le faisceau en appliquant à la diode un signal de polarisation pulse ou modulé. Un tel modulateur présente des inconvénients. En particulier, à un modulateur donné, ne peut correspondre qu'un domaine de longueurs d'onde unique et étroit, limité aux longueurs d'onde très voisines de celle qui correspond à la largeur de la bande interdite du matériau constitutif -de la diode Gunn. Deux surfaces opposées doivent être traitées optiquement. Enfin, la diode ne peut être constituée sur un substrat opaque. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de modulation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils autorisent un choix plus large de longueurs d'onde du rayonnement à moduler, donc de la source de ce rayonnement, et ne nécessitent de traiter optiquement qu'une seule face. Suivant un procédé de modulation électro-optique constituant un premier aspect de l'invention, on dirige un faisceau monochromatique de rayonnement, notamment de rayonnement lumineux, vers une face d'un composant semiconducteur susceptible d'être le siège d'oscillations hyperfréquence donnant naissance en surface à un champ électrique alternatif qui s'ajoute ou se retranche vectoriellement, au champ de la barriere de surface du semiconducteur, le matériau -semiconducteur constitutif du composant étant choisi pour que l'une de ses transitions directes interbandes soit du même ordre que l'énergie h; des photons du rayonnement à moduler, et en ce qu'on superpose au champ électrique dO aux oscillations du composant un champ électrique apPliqué à partir d'une source extérieure et destiné à fournir la modulation de fréquence ou d'amplitude. Un dispositif de modulation constituant un autre aspect de l'invention comprend un composant semiconducteur dans lequel, lorsqu'une différence de potentiel électrique supérieure à un seuil déterminé est appliquée entre deux faces opposées, naissent des oscillations hyperfréquence fonction de la tension appliquée créant en chaque point d'une face transversale aux précédentes et qui reçoit le faisceau,-un champ électrique qui est une fonction apériodique du temps, dispositif caractérisé notamment en ce que le matériau est choisi pour que l'une de ses transitions directes interbandes soit du même ordre que l'4ner- gie h ;; des photons du rayonnement à moduler, en ce que la source de ladite différence de potentiel est modulée pour modifier le champ électrique et en ce que des moyens sont prévus pour recevoir le faisceau réfléchi sur ladite face transversale. Il peut être utile à ce stade de donner quelques indications théoriques de nature générale sur le pouvoir réflecteur d'un matériau semiconducteur dopé. Le pouvoir réflecteur R d'une face d'une pastille de semiconducteur pour un faisceau de rayonnement monochromatique et constitué de photons d'énergie h est une fonction de h Si h J est supérieur à l'énergie SEG correspondant à la largeur de la bande interdite, le pouvoir réflecteur R est important, souvent supérieur à 40%, et varie peu avec h ; . Il existe un certain nombre de semiconducteurs pour lesquels cette condition est remplie pour les photons correspondant aux spectres ultraviolets vi-sibles ou infrarouges.Si on ajoute vectoriellement, au champ O de la barrière de surface-exis- tant entre le semiconducteur et l'extérieur au niveau de la face réfléchissante, un champ4 perpendiculaire à la surface, la population de porteurs libres es modifiée au voisinage de lasurface, ainsi que le pouvoir réflecteur R. De plus, pour des valeurs particulières E i de l'énergie des photons (correspondant aux transitions directes interbandes, d'énergie égale ou supérieure à Ô EG) interviennent des résonances du pouvoir réflecteur R. L'invention utilise.ces résonances, qui permettent d'atteindre un rapport signal/bruit de l'ordre de 100. Un champ électrique hyperfréquence peut entre obtenu en utilisant l'oscillation d'un composant semiconducteur dopé du genre faisant apparaitre, en chaque point d'une surface réfléchissante, un champ local 8 l périodique.Parmi ces organes, on peut notamment utiliser : - les diodes à transfert d'électrons, communément dénommées diodes Gunn, qui permettent de couvrir un domaine allant pratiquement de 1 à 102 GHz, - les diodes dites à temps de transit et à avalanche par impact, ou IMPATT, - les diodes à temps de transit et à avalmdhe à piégeage de plasma ou TRAPATT, qui, comme les diodes IMPATT, ont un domaine d'oscillations allant d'environ 5 à 102 GHz il existe à ltheure actuelle des diodes du type cidessus défini utilisant comme semiconducteur l'arseniure de gallium ou le phosphure d'indium (diodes Gunn) et l'arseniure de gallium ou le silicium (diodesIMPATT). Toutes ces diodes sont du type à résistance négative, autorisant la mise en oscillations par simple application d'une tension continue supérieure à un seuil. Le champ local obtenu par les oscillations spontanées de la diode crée le champ périodique à la fréquence fO de porteuse. La modulation du rayonnement réfléchi eBt obtenue en appliquant à la tension d'alimentation de la diode une composante alternative ou pulsée de modulation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel : - la figure 1 est un schéma de principe montrant, à très grande échelle, 1 modulateur proprement dit, constitué par une diode IMPATT, et les faisceaux incidents li et réfléchis Ur, - la figure 2 est un schéma montrant la repartition du champ électrique à proximitde la surface réfléchissante du modulateur, en l'absence d'oscillations (trait plein) et en cours d'oscillations. Le dispositif modulateur représente en figure 1 comporte une diode IMPATT 10 qu'on supposera, pour des raisons de simplicité, être une diode Ga. As de type n, de type simple. Une source de courant continu 12 applique, entre deux faces opposées de la diode, une tension d'alimentation continue suffisante pour provoquer l'apparition dans la diode d'un régime d'oscillations spontanées. A cette tension, une source de modulation 13 ajoute une composante de tension alternative hyperfréquence. A proximité de la face 11, la limite supérieure Ev v de la bande de valence et la limite inférieure E de la bande c de conduction sont modifiées par la barrière de surface comme indiqué sur la figure 2 en trait plein pour un matériau dont la barrière de surface est enrichie en trous libres (la loi de variation étant, pour simplifier, supposée linéaire Lors qu'elle a en général une allure parabolique). L'adjonction du champ 6 (dû à l'oscillation de la diode et au champ électrique dû à la source 13) se traduit par une évolution entre les formes schématisées en tirets, correspondant ;'une à une sommation et l'autre à une soustraction du champ. Un faisceau parallèle de rayonnement d'intensité I. est dirigé sur la face 11 à l'aide d'une source monochromatique continue 14, avantageusement cohérente, telle qu'un laser à semiconducteurs, par exemple à Ga/As, c'est-à-dire à arseniure de gallium. Le faisceau réfléchi, d'intensité Ir est recueilli par un récepteur à constante de temps compatible avec la fréquence de porteuse, tel qu'une photodiode au silicium. Le faisceau réfléchi peut également être collecté sur une fibre optique de transmission à distance 15. La longueur d'onde du rayonnement et le matériau semiconducteur de la diode doivent être adaptés l'un à l'autre et la diode doit autoriser la modulation en hyperfréquence. On peut notamment utiliser des diodes IMPATT ou TRAPATT constitues des matériaux énumérés dans le tableau ci-après avec leurs caractéristiques. Par contre, l'angle d'incidence du faisceau sur la face 11 n'a pas à répondre à une condition particulière et il sera choisi suivant des cirtères de commodité de montage. Energie des transitions optiques interbandes # E=E0 E1 E1= #1 E'0 E2 No. Matériaux ( m) ( m) ( m) ( m) ( m) 1 In As 2,6 0,5 0,45 0,26 2 In P 0,95 0,4 0,38 0,26 0,25 3 Ga As 0,88 0,43 0,39 0,27 0,25 4 Cd Te 0,82 0,38 0,32 0,23 0,25 5 Zn Se 0,50 0,26 0,25 0,2 6 InxGa1-xSb de 3 de de à 1,5 0,61 0,45 à à 0,50 0,65 7 Si 0,35 0,3 Dans ce tableau, les énergies sont représentées par la lonqueur d'onde du rayonnement correspondant. On peut notamment utiliser comme source de rayonnement, pour chacun des matériaux mentionnés ci-dessus, les lasers mentionnés dans le tableau 2. TABLEAU 2 No. Source 1 laser à argon ionisé et laser à colorants 2 laser helium-cadmium+ et laser à colorants 3 laser solide à l'arseniure de gallium, fournissant un rayonnement à 0,9 m et laser à argon ionisé 4 laser helium-cadmium+ et laser à colorants 5 laser à argon ionisé et laser à colorants 6 laser à l'hélium-néon, fournissant un rayonnement à 0,63 m et laser à colorants i 7 il laser helium-cadmium i if A titre d'exemple particulier de réalisation, on peut indiquer qu'un dispositif de modulation a été réalisé en utilisant les composants ci-après. Le modulateur proprement dit était constitué par une diode IMPATT AsGa dont la dimension était 50 m ; la fréquence d'oscillations est de 1 GHz lorsqu'une tension continue dépassant 8 Volts lui est appliquée. Le faisceau modulé était constitué par un laser à argon ionisé. La source de-modulation était constituée par une source fournissant 5 Volts à une fréquence de 100 MHz. Le coefficient de réflexion-variait relativement de 1X. Pour augmenter ce taux de modulation, on peut associer un ensemble polariseur-analyseur au modulateur proprement dit. REVENDICATIONS 1. Procédé de modulation électro-optique en hyperfréquence d'un faisceau de rayonnement monochromatique, caractérisé en ce qu'on dirige un faisceau monochromatique de rayonnement, notamment de rayonnement lumineux, vers une face d'un composant semiconducteur; en ce qu'on alimente ledit composant pour qu'il soit le siège d'oscillations hyperfréquence donnant naissance en surface à un champ électrique modulé qui s'ajoute ou se retranche, suivant son sens, au sens de la barrière de surface du semiconduc- teur, le matériau semiconducteur constitutif du composant étant choisi pour que l'une de ses transitions directes interbandes soit du même ordre que l'énergie h ss des photons du rayonnement a moduler; en ce qu'on superpose,au au champ électrique dû aux oscillations du-composant et à fréquence porteuse, un champ électrique appliqué à partir d'une source extérieure et destiné à fournir la modulation; et en ce qu'on recueille le rayonnement lumineux réfléchi à partir de la face. 2. Dispositif de modulation électr-o-optique en hyperfréquence d'un faisceau de rayonnement monochromatique, comprenant un composant semiconducteur dans lequel1 lorsqu'une différence de potentiel électrique supérieure à un seuil déter mIné est appliquée entre deux faces opposées, naissent des oscillations à une fréquence porteuse créant en chaque point d'une face transversale aux précédentes et qui reçoit le faisceau, un champ électrique qui est une fonction périodique du temps, dispositif caractérisé en ce que le matériau est choisi pour que l'une de ses transitions directes interbandes soit du même ordre que l'énergie h 9 des photons du rayonnement à moduler, en ce que la source de la différence de potentiel est modulée pour modifier le champ électrique et en ce que des moyens sont prévus pour recevoir le faisceau réfléchi par ladite face transversale. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le composant semiconducteur est une diode Gunn, IMPATT ou TRAPATT. 4. Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la source de rayonnement est constituée par une source cohérente, telle qu'un laser.