Brevet FR2556505A1 — publié le 19850614

La présente invention concerne les amplificateurs opLi- ques et, particulièrement, un amplificateur optique destine à être utilisa dans le spectre visible et/ouhors de celui-ci. On sait, dans l'état de la technique, qu'une fibre de verre creuse traitée fournit une émission secondaire lorsque des électrons primaires sont introduits à l'intérieur de celle-ci. Un fais- ceau de telles fibres peut donc être utilisé dans un tube à vide poussé appelé tube amplificateur d'image, possédant une photocathode à l'une de ses extrémités et un. substance électroluminescente à l'autre. De plus, dans les systèmes d'amplification optique cou- rants, le signal optique lumineux) est converti en énergie élec- trique qui est alors amplifiée. Après amplification, le signal électrique obtenu peut être appliqué à un émetteur optique pour produire un faisceau lumineux amplifié. Le détecteur de lumière peut être une simple photodiode, ou peut être combiné à un disposi- tif amplificateur tei qu'une photodiode à avalanche ou un photomul- tiplicateur. Des tubes à vide, des transistors et des circuits integrés sont souvent utilisés pour amplifier le signal électrique. Des matériaux photoluminescents, des diodes électroluminescentes et des lasers ont été utilisés pour reproduire des signaux optiques. Les photomultiplicateurs anciens utilisaient des sub- stances sensibles à la lumière et les techniques des tubes à vide. Bien que ceux-ci soiaEt toujours en service, les progrès les plus récents dans la technique des semi-conducteurs ont produit la photo- diode à avalanche, qui réalise l'amplification du signal par un processus de photomultiplication à l'intérieur du semiconducteur. Un amplificateur optique linéaire, intégré et direct (entrée de la lumière/sortie de la lumière) n'est pas connu à ce jour. Dans l'amplificateur optique selon la présente inven- tion, il est prévu un multiplicateur d'électrons massif qui rend possible l'amplification de la lumière sans amplificateur à semi- conducteurs et avec une tension relativement basse. Ce qui pr&eède est accompli de preférence par l'une des techniques suivantes: 1, impla.ltation ou dopae ae différenLs maLriaux dans une fibre Ge verre à électrodes déposées pour une amplification directe de la lumière ddaib la libre optique 2, nouvelle construction géométrique d'une photodiode à avalanche pour ia sortie de la lumière amplifiée 3) un amplificateur optique microscopique à film mince utilisant les techniques de dépôt du 1) ci-dessus. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées, qui représentent - la figure 1, une vue d'un premier amplificateur opti- que construit selon la présente invention, - la figure 2, une vue d'une seconde réalisation de la présente invention, - la figure à, une vue d'une troisième réalisation de la présente invention avec amplificateurs optiques en cascade, et - les figures 4, 5, 6, 7a, 7b des amplificateurs opti- ques construits selon la présente invention en utilisant un photo- multiplicateur à diode. A la figure 1, un photomultiplicateur 12 en dioxyde de silicium massif possède une photocathode conventionnelle 10 fixée à l'une de ses extrémités et un photo-émetteur conventionnel 11 fixé à l'autre extrémité. Une source de potentiel 19 a son p8le négatif relié à une électrode 21 et son pôle positif 22 raccordé à une autre électrode 23. A la figure 2, une photocathode conventionnelle 13 est dotée d'un photoémetteur conventionnel 14. Un photomultiplicateur 24 est doté de cavités internes 25. La source 2b, les éieuLrodes 27 et 28 sont agencées comme précédemment. Le principe de fonctionnement du mode de réalisation de l'in- vention présenté à la figure 2 est le suivant. Le photomultiplica- teur 24 de la figure 2 peut avoir un rapport d'émission secondaire supérieur à celui d'un photomultiplicateur massif. Des particules de matériau tel que le silicium, un alliage de nickel ou l'or s'évaporant audessus du point de fusion du dioxyde de silicium sont d'abord mélangées à celui-ci, puis, lorsque la température du dioxyde de silicium fondu augmente, elles s'évaporent, ce qui produit les bulles 25. Un refroidissement à bonne vitesse ne détruiL pb ies bulles (il s'agit d'une technique conventionnelle). Les électrons pén[trant dans les bui.t:s entraînentavec eux u'autres iélectrons eL il y a plus d'éiectrons libérés à la sortie. Un effet de multipli- cation des électrons est donc crY&. A la figure 3, des amplificateurs sont montés en cascade suivant une structure en S avec des régions absorbantes 29, 30 et 31 et des régions émettrices 32, 33 et 34. Les régions émettrices de la figure 3 sont similaires au photo-émetteur de la figure 1. Les "substances luminescentes" uti- lisées dans les tubes cathodiques produisent des couleurs non cohé- lu rentes. Il existe une table des caractéristiques de différentes compositions dans le manuel "ITT CORPORATION HANDBOOK". Par exemple, la combinaison suivante est classique: P2 = ZnS:Cu Dans ce cas, le sulfure de zinc joue le r8le de sub- stance luminescente et le cuivre est une impuret& de dopage, appe- lée activateur, produisant des niveaux multiples sur la largeur de bande interdite. La recombinaison indirecte des paires électrons- trous de cette manière est un processus lent, et l'émission lumineu- se se maintient sur des périodes longues dans un tel procéde. Généralement, on n'utiliserait pas une substance luminescente avec un activateur. Comme le dioxyde de silicium (SiO2) est le matériau de base, le dopage peut être fait à l'aide de zinc, de magnésium, de fluore, de calcium, de potassium, de cadmium, de phosphore ou de béryilium, ou d'une combinaison de ces substances, afin de produire un silicate fluorescent. Une autre possibilité est celle du dopage au gallium et à l'arsenic pour former un semiconducteur GaAs qui est un photo- émetteur cohérent. Il est également possible de partir avec du silicium pur afin de produire un photo-émetteur semi-conducteur au silicium, puis d'oxyder la région centrale pour avoir du SiO2 (processus réversi- ble).- La région absorbante de la figure 3 est similaire à la photocathode de la figure 1. Dans le processus d'absorption, un photon d'énergie dépassant l'énergie de la bande interdite ou du réseau moléculaire libère un électron. Des isolants tels que le SiOZ ont des énergies de bande interdite élevées, ce qui n'est pas souhaitable pour une utilisation comme photocathode car la lumière traverse directement le cristal. Une technique connue consiste à placer un film mince de mDl. qui est ensuite actiVe à 2'oxydU de bdryiiu pour abaissei le travail o'extraction. Un dopage au baryium pourrait donc être uti- lisé avec un Limtl tel que i'aiuminium ou le nicKel. Le cesium, le lanthane et le thorium pourraient également être utilisés comme activateurs pour cathodes. Une autre possibilité est de réaliser un dopage au gal- lium et à l'arsenic pour obtenir un semi-conducteur GaAs. Comme la largeur de bande interdite de ce matériau est de 1,4 eV, il répond à l'infrarouge proche qui est une longueur d'onde couramment utili- sée dans les fibres optiques. D'autres impuretés, telles que l'in- dium et l'antimoine, peuvent être ajoutées pour améliorer l'effica- cité. Le silicium pur a une largeur de bande interdite de moins de 1,1 eV, ce qui est mieux que le GaAs. De ce fait, l'in- verse d'un autre processus pourrait également être utilisé pour produire une photocathode de silicium pur. Une fois de plus, des dopants tels que l'indium et l'antimoine pourraient être ajoutés pour améliorer l'efficacité. A la figure 4, une métallisation est réalisée en 35 et 36 aux extrémités opposées d'une diode 37. Les métallisations 35 et 36 ont des trous respectifs 38 et 39 les traversant. Les régions absorbante, active et émettrice sont en 40, 41 et 42 respective- ment. Une source de potentiel 4J est relié6e entre les métal- lisations 35 et 36. Des fibres optiques d'entrée et de sortie sont présentées en 44 et 45. La diode 37 comprend un matériau de type n en 46 et un maté- riau de type p en 47. A la figure 4, le matériau est un semiconducteur tel que du silicium ou du GaAs. Les régions n et p sont dopées de donneurs et d'accepteurs courants, respectivement. Des impuretés tel- les que P, As et S sont des donneurs pour le Si, tandis que B, A1, Ga et In sont des accepteurs. Pour le GaAs, les donneurs sont des impuretés telles que Te, S et Se, tandis que le zinc est un accep- teur. Les régions absorbantes et émettrices sont simplement des diodes formées dans le processus de dopage, avec des donneurs dans la région n et des accepteurs dans la région p. L'abréviation APD signifie photodiode à avalanche. La diode est polarisée en inverse au bord de l'avlanchie. Des photons sont absorbés, ce qui libère des électrons. Du fait de la haute densité de cndmp, un Lffet de multiplication pioauit un gain. Une autre réaiis.'tion de la présente invention est pré- sat'U à 1, figuré 5. cur.X.; figure, une p etv- tionnelle 15 est placée a l'une des extrémités d'une diode 48. 0U L'autre extrémité de la diode 48 porte une diode électrolumines- cente (DEL) lb fixée sur elle. A la figure 5, une source 49 est connectée à des élec- trodes 50 et 51. Des fibres de verre sont prévues en 52 et 53. A la figure 6, une photocathode conventionnelle 17 est lo dotée d'une DEL conventionnelle 18 et d'une diode 54. Les fibres de verre portent ies référeinces 55 et 56. Des électrodes 5/, 58, 59 et 6u reçoivent les tensions -HV, masse, -Vcc et +VDoj. 11V, VCC et VDD sont positifs. Aux figures 7 a à 7c, une puce 61 de GaAs est gravée et un canal de GaAs ayant un indice de réfraction différent est prévu pour former un guide d'ondes optiques. Ce guide d'ondes est alors dopé verticalement de donneurs et d'accepteurs comme à la figure 4 pour former les régions semiconductrices montrées sur le schéma de la figure 7c. La région 1 de la région PIN (positive-intrinsèque-négative) est un matériau intrinsèque, ou presque intrinsèque (très légère- ment dopé,. Le substrat n'est pas nécessairement du GaAs. Tout maté- riau présentant un indice de réfraction différent et compatible avec le procédé GaAs peut être utilisé. A la figure 7a, un substrat de GaAs intrinsèque présente un canal obtenu var gravure ou croissance. Un canal optique est ensuite ajouté (figure 7b) . L'amplificateur optique est alors formé comuie Le montre la figure 7c. Sur les figures 1 et 2, toutes les pièces sont générale- nent cylindriques par rapport à l'axe horizontal des photomulti- plicateurs 12 et 24 dans le plan du papier. Il en est de même au- tour des diodes 37, 48 et 54 aux figures 4, 5, et 6, respective- ment. A la figure 1 et de même aux figures 2 à 7, la lumière de bas niveau entre par l'extrémité gauche de la fibre et les pho- tons heurtent le GaAs eou un autre matériau dopant dans la région absorbante), ce qui libère des électrons qui passent dans la région active. Par exemple, un électron entrant en collision avec un atome absorbant la lumière peut libérer un certain nombre d'électrons additionnels. Ces autres électrons acquièrent une vitesse ini- tiale en conservant l'énergie cinétiqu de l'impact, et certains des électrons passent dans la région o est appliqué un champ élec- qui est dopée à l'aide d'un matériau générateur de charges, tel que des atomes métalliques. Les électrons dans cette région heurtent les atomes, ce qui produit de nouveaux électrons et crée un effet d'avalanche ou de multiplication qui sert à amplifier le signal. Une technique de ce type a été utilisée sur un type de photomulti- plicdteur pour des lunettes de vision nocturne. Le flux d'élec- trons amplifié passe ensuite dans la région émettrice qui a été dopée a l'aiae d'un matériau tel que le GaAs, produisant des plho- tons en recevant l'énergie de la collision des électrons. On produit ainsi un nouveau signal optique qui représente le signal lu,?i-eux d'entrée après amplification. Il est également possible de combiner ces dopages dans une seule zone pour des raisons de sim- plicité, le rendement quantique étant un facteur déterminant. A la figure 4, la diode 37 contient une photodiode, dont les photons traversent la jonction PN ce qui produit des paires élec- tron-trou dans la jonction ou à proximité de celle-ci. Un champ de polarisation inverse capte des porteurs engendrés à la jonction. L'APD (photodiode à avalanche) contient une région de multiplica- tion dans laquelle des porteurs sont multipliés par l'effet d'un étdt d'avalanche créé par un champ de haute intensité. Des formes plus avancées de i'APD présentent des régions distinctes d'absorp- tion et de multiplication. Il existe une troisième région pour l'émission o les photons sont régénérés et une ouverture amt- nelle pour la sortie de la lumière amplifiée. Pour des raisons de simplification, trois cellules seu- lement sont présentées à la figure 3. La section de chaque $!$ment de la figure 3 n'est pas une fibre de verre, mais un dépôt de SiO2 et la structure n'est plus longiligne, mais en forme de S. Les "S" sont d'abord réalisés par un dépôt de SiO2, puis les trois régions (absorbante, active, émettrice) sont successivement masquées et dopées. Les techniques des semiconducteurs sont utilisées pour atteindre des dimensions très petites. Les régions absorbantes sont en haut et les régions émettrices en bas. Les régions actives sont situées sur trois des six jambages centraux si bien qu'un champ électrique unidirectionnel est obtenu avec une polarité posi- tive en bas. Comme les longueurs physiques sortmicroscopiques, des tensions inférieures peuvent être utilisées pour obtenir le champ I de haute iut.nsit[- hicassalre pour dvoir un igaúi de multiplication élevé dans la r&gion active. En utilisant un plus grand nombre d'élémenits en S, l'amplificdteur optique peut fournir aes gains plus élevés. Il est bien évident que les descriptions qui précèdent ont été données qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Revendications 1. Amplificateur optique caractérisé en ce qu'il comprend un corps massif (12) adapté pour produire une émission secondaire sous l'effet d'un bombardement d'électrons, une photocathode (10) fixée à l'une des extrémités dudit corps, un photo-émetteur (11) fixé à l'autre extré- OS mité dudit corps et des dispositifs (19 à 23) pour établir un gradient de potentiel suivant l'axe-longitudinal dudit corps entre ses extrémi- tés, de manière à ce que l'extrémité adjacente audit photo-émetteur soit plus positive que l'extrémité adjacente à ladite photocathode. 2. Amplificateur optique selon la revendication 1, ca- racterisé en ce que ledit corps est en dioxyde de silicium. 3. Amplificateur optique caractérisé par un corps massif (24) adapté pour produire une émission secondaire sous l'effet d'un bombardement d'électrons, par une photocathode (13) fixée à l'une des extrémités dudit corps, par un photo-émetteur (14) fixé à l'autre extré- mit& dudit corps et par des dispositifs (26) pour établir un gradient de potentiel suivant l'axe longitudinal dudit corps entre ses extrémi- tés, de manière à ce que l'extrémité adjacente audit photo-émetteur soit plus positive que l'extrémité adjacente à ladite photocathode, ledit corps présentant en son sein des cavités ouvertes (25) séparées les unes des autres. 4. Amplificateur optique selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que ledit corps est en dioxyde de silicium. 5. Amplificateur optique selon l-a revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit corps massif présente une forme de S. 6. Ensemble d' amplificateurs selon la revendication 5 caractérisé en ce que les amplificateurs sont agencés de telle sorte qu'une région émettrice (32, 33, 34) d'un amplificateur suive une région absorbante (29, 30, 31) de l'amplificateur qui le précède sur le trajet de la lumière traversant l'ensemble d'amplificateurs. 7. Amplificateur optique caractérise par une diode à avalan- ches (37) présentant à l'une de ses extrémités un semiconducteur de premier type et à l'autre extrémité un semiconducteur de l'autre type, par des métailisations appliquées à chacune desdites extrémi- tés, ces mntallisations présentant un trni lestrapvrsant à chacune desdites extrémités, par une région absorbante (40) dans ledit semicon- ducLeur au premier type, par une région émettrice (42) dans ledit semi- conducteur de type opposé, par des dispositifs pour recevoir la lumière au travers dudit trou à ladite première extrémité, par des dispositifs pour recevoir la lumière provenant dudit trou à ladite u5 autre extrémité et par des dispositifs d'alimentation iélectrique (43) pour maintenir positif l'un des dits types de semiconducteurs par rapport à l'autre desdits semiconducteurs. 8. Amplificateur optique selon la revendication 7, ca- ractFrisé en ce que ledit premier type de semiconducteur est du U10 type n et en ce que le dit type opposé est du type p. ledit dispo- sitif d'alimentation électrique maintenant positif ledit type n par rapport audit type p. 9. Amp]ificateur optique seion la revendication 8, ca- ractérisé en ce que lesdites régions présentent chacune en leur sein des cavités séparées les unes des autres. 10. Amplificateur optique selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que le dit premier type de semiconducteur est du type p et en ce que ledit type opposa est du type n, ledit disposi- tif d'alimentation électrique maintenant positif ledit type p par rapport audit type n. Il. Amplificateur optique selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites régions présentent chacune en leur sein des cavités séparées les unes des autres. 12. Amplificateur optique selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite région absorbante comprend une photo- cathode et en ce que ladite région émettrice comprend une diode électroluminescente (DELj, ledit type p ayant une électrode néga- tive haute tension, ledit type n ayant une électrode de masse et ledit type n ayant une liaison de tension négative et positive vers ladite DEL. 13. Amplificateur optique caractérisé par un substrat d'arsGniure de gallium présentant un canal allongé gravé, par une lentille d'arséniure de gallium isolée dudit substrat mais fi;ée sur lui à l'intérieur dudit canal à chaque extrémité de celui-ci, par un semiconducteur monté dans ledit canal en contact avec ledit substrat formant avec lui une diode à avalanche et par une section dopée a chaque extrémité dudit semiconducteur formant des sections émettrice d'électrons et émettrice-de photons.