Brevet FR2394145A1 — publié le 19790105

L'invention a pour objet un dispositif d'échantillonnage des signaux électriques, même non répétitifs,- présentant des durées de résolution extrêmement faibles, par exemple inférieures à 10 picoseconces (ps). Ce dispositif permet donc d'échantillonner des impulsions électriques, même non répétitives, de temps de montée très courts. On connaît à l'heure actuelle comme appareils de mesure pour les signaux rapides - d'une part, les dispositifs du genre oscilloscope à échantillonnage mettant en oeuvre une méthode stroboscopique, et - d'autre part, les dispositifs du genre oscilloscope à tracé direct. Les premiers ont une bande passante, associée au principe de fonctionnement, de O à 14 GHz, ce qui permet de visualiser des temps de montée de l'ordre de 25 ps, mais ils ne peuvent fonctionner que pour des signaux répétitifs. Les seconds, du type classique à balayage, permettent d'enregistrer des signaux même non répétitifs, mais les temps de montée sont de l'ordre de 300 ps ou davantage bien qu'une réalisation française atteigne maintenant 150 Ps. Or le besoin d'échantillonneurs ultra-rapides pour des signaux même non répétitifs est très grand, par exemple pour la métrologie des impulsions lumineuses des lasers (converties en impulsions électriques pour leur analyse), pour l'étude des signaux mis en oeuvre dans les commutations ultra-rapides, pour l'étude des régimes d'impulsions non linéaires et pour la réflectrométrie (étude des impulsions réfléchies qui permet de déterminer les impédances caractéristiques). Un dispositif, selon l'invention, d'échantillonnage ultrarapide de signaux électriques se propageant le long d'une ligne est caractérisé par le fait qu'il comprend une série de moyens pour prélever, pendant un intervalle de temps extrêmement bref, à un même instant, en des points successifs de cette ligne ou à des instants successifs en un même point de la ligne, un signal se propageant le long de cette ligne, une série de moyens pour mémoriser le signal échantillonné prélevé pa-r chacun desdits moyens de prélèvement et des moyens pour lire le signal prélevé mémorisé dans chacun desdits moyens de mémorisation. De préférence lesdits points successifs ou lesdits instants successifs sont régulièrement espacés et ledit intervalle de temps est le même pour tous les moyens de prélèvement. Dans les modes #de réalisation préférés - la ligne est une ligne du type microstrip, c' est-à-dire une strip line ou de préférence une ligne coplanaire; - les moyens de prélèvement sont constitués par des portes optoélectroniques comportant un élément semi-conducteur et une structure coplanaire, comprenant un conducteur central interrompu pour former une fenêtre et au moins un conducteur latéral, et des moyens pour éclairer cette fenêtre et 1 t espace entre conducteur central et conducteur latéral respectivement par une première et une seconde impulsions de laser de durée extrêmement brève et séparées par un intervalle de temps de durée bien déterminée et aussi extrêmement brève, cet intervalle de temps déterminant la durée pendant laquelle la porte est passante et donc la durée d'échantillonnage;; - chaque moyen de mémorisation est constitué par une paire de diodes Schottky montées tête-bêche, la première diode passant en direct et la seconde en inverse lorsque ladite paire reçoit un signal échantillonné, ce qui a pour effet de charger la capacité de jonction de la seconde diode d'une quantité d'électricité fonction de l'amplitude du signal échantillolne, les moyens de lecture effectuant la détermination de la charge stockée dans ladite capacité de liaison L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre dlindication. La figure 1 illustre la forme d'un signal à échantillonner. Les figures 2 et 3 représentent schématiquement deux modes de réalisation (du type série et parallèle respectivement) d'un échantillonneur selon l'invention. Les figures 4 et 5 représentent une porte optoélectronique constituant un moyen de prélèvement, la figure 4 illustrant, schématiquement, la partie optique et la figure 5, en perspective, la partie électronique de la porte. La figure 6 représente un ensemble de portes électroniques décalées mettant en oeuvre le système optoélectronique des figures 4 et 5. Les figures 7 et 8 représentent un moyen de mémorisation à deux diodes Schottky et son schéma équivalent respectivement. Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de-réalisa- tion de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un dispositif d'échantillonnage ultra-rapide de signaux éléctri- ques, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. Sur la figure 1 on a représenté un signal électrique, du type à impulsions, dont l'amplitude a varie en fonction du temps t et que lion veut échantillonner, c'est-à-dire dont on veut déterminer les amplitudes successives à des instants successifs, par exemple déterminer les amplitudes a1, a2... a7 aux instants t1 t2- t7 . On sait que la propagation d'un signal électrique le long d'une ligne du type microstrip (strip line ou ligne coplanaire) s1 effectue à une vitesse de l'ordre de 0,1 mm par ps; par conséquent un signal dont la durée est de l'ordre de 10 ps occupe, sur une telle ligne, une longueur de l'ordre du millimètre. Revenant à la figure 1 et soit a = v(t) la représentation analytique de l'amplitude a d'un signal électrique en fonction du temps t. Si un tel signal se propage le long d'une ligne et si l'on suppose qu'un observateur se déplace sur la ligne, on peut décrire le signal à l'instant t par la fonction v(to - Xc), en appelant x la coordonnée de position de l'observateur sur la li gne et c la vitesse de propagation de 0,1 mm/ps, soit mm/ps, m/s, du signal le long de cette ligne. L'invention consiste, suivant une première disposition, à disposer le long d'une ligne, à intervalles de préférence réguliers, des capteurs de tension susceptibles d'être actionnés simultanément, comme illustré sur la figure 2. Lorsqu'à l'instant t le signal de la figure 1 se présent o dans la portion de ligne 1 occupée par les capteurs 2, on met ceux-ci en service pendant un bref instant au moyen d'interrupteurs 3; chacun des capteurs 2 capte alors une tension proportionnelle à celle qui existe sur la ligne 1 à l'instant to, au point x qu'il occupe (x a les valeurs x1, x2, x3, xq, xg, x6 et X7 pour les capteurs de la figure 2); la tension prélevée sera, x0 par exemple, au point xo égale à kv (to - ), t et c ayant o o - les valeurs indiquées ci-dessus. En donnant à x les différentes valeurs x1, x2.. .x7, c'està-dire en passant d'un capteur à l'autre, on explore le signal de la figure 1 car on aura des valeurs proportionnelles à a1 a2... a7 aux temps t1, t t Les différentes valeurs L 2# 7 a1, a2... a7 sont stockées dans des moyens de mémorisation 4, puis lues par des moyens de lecture 5. Dans une variante illustrée sur la figure3, on peut prévoir qu'à partir de la ligne 1 sont disposées; en parallèle, des li- gnes la, lb, lc, Id, le, If, lg. -Au lieu de brancher, comme dans le mode de réalisation de la figure 2, différents capteurs 2 en des points successifs de la ligne 1, -on branche des capteurs 2, sur chacune des lignes la, lb...lg, décalés de la même manière, comme illustré sur la figure 3 pour prélever le signal à des instants t1, t2...t7 uniw formément décalés. Comme dans le mode de réalisation de la figure 2,# les signaux prélevés par les capteurs 2 sont mémorisés dans des moyens de mémorisation 4 puis lus par des moyens de lecture 5. On voit donc que le dispositif de la figure 2 est un dispositif série, tandis que le dispositif de la figure 3 est un dispositif parallèle, mais ils sont absolument équivalents. On va décrire maintenant, avec référence aux figures 4 et 5, un mode de réalisation préféré des moyens de prélèvement 2 avec interrupteur 3, ces moyens étant réalisés sous la forme d'une porte optoélectroni#que. Une telle porte optoélectronique comporte une ligne coplanaire illustrée sur la figure 5 et qui est constituée par une paire de conducteurs externes 6 et un conducteur central 7 en deux parties, ces conducteurs étant disposés sur un bloc en silicium 8. Sur la figure 5 on a représenté le -câble coaxial d'entrée 9 qui est connecté, d'une part, à la ligne 1 (cas de la-figure 2) ou à une ligne la, lb...lg (cas de la figure 3) et le cable coaxial de sortie 10 qui est connecté à un moyen de mémorisation 4, ce câble pouvant être lui-même remplacé par une structure de ligne coplanaire. Le conducteur central 7 est interrompu en 12 et c1 est au niveau de cette interruption 12 qu'est formée la porte optoélectronique elle-memé. En effet on réalise la commutation au niveau de la zone 12 en envoyant successivement deux impulsions très brèves d'un faisceau laser au moyen de la disposition de la figure 4 qui sera décrite ci-après. La première impulsion laser 21 éclaire la "fenêtre" existant dans la zone 12 en créant à la surface du bloc de silicium 8 un plasma conducteur qui établit le contact entre les deux portions du conducteur central 7.La porte est alors conductrice et le contact électrique est établi entre les câbles coaxiaux 9 et 10, c'est-à-dire entre la ligne 1 ou la, lb... lg et un des moyens de mémorisation 4, à savoir celui connecté au câble 10. La seconde impulsion 25 établit la formation d'un plasma conducteur entre le conducteur central 7 et un conducteur latéral 6 en réalisant l'ouverture de la porte optoélectronique, c'est-à-dire l'interruption du circuit électrique entre les câbles coaxiaux 9 et 10. Sur la figure 4 on a représenté un dispositif permettant d'envoyer deux impulsions laser très brèves séparées par un intervalle déterminé extrêmement court, de l'ordre de quelques nanosecondes ou moins. Le dispositif de la figure 4 comporte un laser 13 émettant des impulsions lumineuses ultra-courtes, c'est-à-dire des impulsions dont la durée à mi-hauteur est comprise entre la picoseconde et quelques nanosecondes. Ce laser peut être un laser à colorant (pompé par flashs ou par un autre laser) , un laser à verre au néodyme doublé en fréquence ou tout autre laser délivrant des impulsions ultra-courtes. A partir du faisceau de sortie 19 du laser 13 on obtient deux faisceaux décalés dans le temps au moyen d'un miroir semitransparent 20 et de deux prismes 21 et 22 à réflexion totale. La moitié du faisceau 19 traverse ltélément 20 et constitue le faisceau non retardé 21 qui est focalisé par la lentille 23 au point 24, à savoir dans la zone 12 de la figure 5. L'autre moitié du faisceau 19 est renvoyée par le miroir semi-transparent 20 vers le prisme 21 qui le renvoie vers le prisme 22 qui, enfin, réfléchit le faisceau retardé 25 étant donné que ce faisceau parcourt un chemin optique plus long, constitué essentiellement par les deux branches 26 du trajet entre le miroir 20 et le prisme 22, en passant par le prisme 21. Ce faisceau retardé 25 est également concentré, par la lentille 23, en un point voisin du point 24, à savoir entre un conducteur 6 et le conducteur interrompu 7 de la figure 5. On voit donc qu'à une impulsion produite par le laser 13 correspondent une impulsion non retardée 21 qui sert à fermer la porte de la figure 5 et une impulsion retardée 25 qui sert N ouvrir cette porte, le décalage entre les deux impulsions étant bien déterminé et pouvant être de l'ordre de quelques nanose condes ou moins. On peut même prévoir un réglage de l'intervalle de temps entre la fermeture et l'ouverture de la porte optoélectronique en disposant le prisme 21 sur un chariot mobile. Sur la figure 6 on a illustré un mode de réalisation d'un ensemble de portes électroniques apte à réaliser plusieurs moyens de prélèvement. Sur cette figure 6 un faisceau laser 27 est divisé par -le." miroirs partiellement réfléchissants 28a, 28b et 28c en trois faisceaux 29aJ 29b et 29c qui sont réfléchis respecLiv#ment par des miroirs 30a, 30b et 30c et traversent une lentille 31. Les miroirs partiellement réfléchissants 28a, 28b et 28c sont calculés pour obtenir des puissances sensiblement égales dans les faisceaux partiels 29a, 29b et 29c. Les écarts éventuels de chemin optique pour les faisceaux 29a, 29b et 29c sont compensés dans chaque voie par passage dans deux coins de verre 32a, 32b, 32c mobiles l'un par rapport à l'autre. Le décalage spatial et le décalage temporel entre la fermeture et l'ouverture de chaque porte optoélectronique sont réalises au moyen d'une lame biréfringente 33 qui divise chaque faisceau 34a, 34b et 34c (correspondant aux faisceaux 29a, 29b, et 29c renvoyés par 30a, 30b et 30c respectivement et focalisés par la lentille 31) en deux faisceaux tels que 35a1 et 35a2 pour 34a, 35b1 et 35h2 pour 34b et 36c1 et 36c2 pour 34c, ces trois paires de faisceaux (dont chaque faisceau 36 doté de l'indice 1 réaliser la fermeture d'une porte, tandis que le faisceau correspondant doté de l'indice 2 réalise l'ouverture de la même porte) agissant sur des portes optoélectroniques disposées en xl, x2 et x3 res- pectivement pour les faisceaux 35a1 et 35a2, 36b1 et 36b2 et enfin 36c1 et 36c. Les miroirs 30a, 30b et 30c assurent un cleca- lage identique entre x1 et x2, d'une part, et x2 et x3, d'autre part, tandis que la lame 33 assure le même intervalle de temps entre chaque faisceau de fermeture de porte et le faisceau d'ou- verture de porte correspondant. Pour simplifier la figure 6 on a représenté sur celle-ci un système de trois portes électroniques, mais bien entendu on voit en général un système comportant un norn})re On va maintenant, avec référence isKiS figures 7 f't ?, mon- trer comment on peut réaliSer d' une manière très simple la mémo- risation du signal prélevé par chacune des portes optoélectroni- ques. Le mode de réalisation préféré du système de mémorisation comporte deux diodes Schottky 37 et 38 montées tête-bêche, comme illustré sur la figure 7. Le montage comprend, sur un bloc 39 de semi-conducteur intrinsèque, par exemple en silicium, une couche 40 de type n et deux pellicules 41 et 42 en aluminium ou en un métal apte à réaliser un contact Schottky. Sur la figure 8 on a représenté le schéma équivalent des deux diodes Schottky 37 et 38. Chaque diode est équivalente à une diode idéale D, une résistance R qui symbolise la fuite de la diode lorsque celle-ci est polarisée dans le sens bloqué et un condensateur C représentant la capacité de jonction de la diode. On sait que la constante de temps RC est très élevée. Sur la figure 8 on a donné les indices 1 aux éléments D, R et C de la diode Schottky 37 et l'indice 2 aux éléments D, R et C de la diode Schottky 38. Le fonctionnement du dispositif de la figure 7 est le suivant, en se référant au schéma équivalent de la figure 8. Lorsqu'il apparaît un signal rendant positive la tension V entre les bornes A et B (V étant dirigé dans le sens représenté sur la figure 8), la diode D1 conduit tandis que la diode D2 est bloquée. A travers le court-circuit constitué par D1 (conductrice) la capacité de jonction C2 se charge à la valeur crête du signal V (qui est en fait le signal à mémoriser et qui arrive d'une porte optoélectronique de prélèvement). Lorsque la tension V devient nulle, D1 se bloque et le condensateur C2 se décharge à travers les deux résistances R1 et R2 (qui se trouvent en parallèle). Etant donné que la' constante de temps RC est très élevée, on peut mesurer au moyen d'une électronique rapide de type connu la tension aux bornes du condensateur C2 avant que celui-ci se décharge. Ceci est possible car le courant de fuite d'une diode Schottky est de l'ordre de -13 ampère pour une capacité de ltordre de 10 13 farad; de ce fait la décharge du condensateur C2 s'effectue au rythme de îOmv par microseconde. On pourrait remplacer les diodes Schottky 37 et 38 par deux jonctions PN classiques, mais les temps de commutation seraient alors plus longs, étant donné que les jonctions PN classiques font intervenir les porteurs minoritaires aussi bien que les porteurs majoritaires des éléments semi-conducteurs P et N, tandis que les diodes Schottky ne mettent en jeu que les porteurs majo ritaires et présentent de ce fait des temps de commutation très brefs, de l'ordre du temps de relaxation diélectrique des éléments semi-conducteurs. Pour terminer on mentionnera que la ligne 1 (figure 2) ou les lignes 1, la, lb.. .lg (figure 3) sont elles-mêmes de préférence du type microstrip, notamment du type coplanaire, étant réalisées sur un substrat semi-conducteur de haute résistivité qui peut être - du silicium n ou p de haute résistivité - de l'arseniure de gallium semi-isolant - de l'InSb refroidi à la température de l'azote ou même de l'hélium liquide - du Ge refroidi à l-'azote liquide. L'avantage de mettre en oeuvre un tel substrat semi-conducteur pour la ligne facilite la mise en oeuvre des capteurs selon l'in vention. On pourrait même réaliser sous forme intégrée l'ensemble de la ligne I (avec eventuellement les lignes la, lb...lg), des portes optoélectroniques du type de la figure 5 et des moyens de mémorisation du type de la figure 7. Un tel système intégré sur une même plaque semi-conductrice présente des avantages évidents. Les dimensions de la#ligne sont choisies, d'une manière classique, pour réaliser l'impédance caractéristique souhaitée (50 dans la plupart des cas). On doit veiller cependant à ce que l'é paisseur du substrat (cas du strip line) ou l'écartement des plans conducteurs (cas du coplanaire) soit suffisant pour minimiser la résistance de fuite du dispositif. Un dispositif selon l'invention présente, comme indiqué précédemment, de nombreux avantages par rapport aux dispositifs connus, car il permet de réaliser un échantillonnage ultra-rapide de signaux électriques même non répétitifs. Il permet donc un grand nombre d'applications, comme indiqué dans le préambule. Comme il va de soi et comme il résulte d'tailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus specialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. Par exemple on pourrait prévoir d'autres types de portes pour constituer les moyens de prélèvement du signal en -des points distincts. De même on pourrait mettre en oeuvre d'autres moyens de mémorisation que ceux décrits avec référence#aux figures 7 et 8. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échantillonnage ultra-rapide de signaux électriques se propageant le long d'une ligne, caractérisé par le fait qu'il comprend une série de moyens pour prélever, pendant un intervalle de temps extrêmement bref, à un même instant en des points successifs de cette ligne (figure 2) ou à des instants successifs en un même point de la ligne (figure 3), un signal se propageant le long de cette ligne, une série de moyens pour mémoriser le signal échantillonné prélevé par chacun desdits moyens de prélèvement et des moyens pour lire le signal prélevé mémorisé dans chacun desdits moyens de mémorisation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits points successifs ou lesdits instants successifs sont régulièrement espacés et que ledit intervalle de temps est le même pour tous les moyens de prélèvement. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la ligne est une ligne du type microstrip, notamment une ligne coplanaire. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de prélèvement sont constitués par des portes optoélectroniques comportant un élément semi-conducteur et une structure coplanaire, comprenant un conducteur central interrompu pour former une fenêtre et au moins un conducteur latéral, et des moyens pour éclairer cette fenêtre et l'espace entre conducteur central et conducteur latéral respectivement par une première et une seconde impulsions de laser de'durée extrêmement brève et séparées par un intervalle de temps de durée bien déterminée et aussi extrêmement brève, cet intervalle de temps déterminant la durée pendant laquelle la porte est passante et donc la durée d'échantillonnage. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour éclairer ladite fenêtre et ledit espace sont constitués par un laser apte à émettre des impulsions brèves, des moyens pour diviser chaque impulsion du laser en deux impulsions distinctes, des moyens pour retarder l'une des impulsions d'une durée bien déterminée et des moyens pour focaliser ces impulsions, l'impulsion non retardée sur ladite fenêtre et l'impulsion retardée sur l'espace entre conducteur central et conducteur latéral. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le laser est un laser à colorant. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé par le.fait que chaque moyen de mémorisation est constitué par une paire de diodes Schottky montées tête-bêche, la première diode passant en direct et la seconde en inverse lorsque ladite paire reçoit un signal échantillonné, ce qui a pour effet de charger la capacité de jonction de la seconde diode d'une quantité d'électricité fonction de l'amplitude du signal échantil lonné, les moyens de lecture effectuant la détérmination de la charge stockée dans ladite capacité de liaison.