Brevet FR2607941A1 — publié le 19880610

DISPOSITIF BISTABLE OPTIQUE A CRISTAL PHOTOREFRACTIF L'invention concerne un dispositif bistable optique utilisant un cristal photoréfractif et basé sur les variations d'indices induites dans ce cristal photoréfractif. L'invention est également applicable à une matrice de bistables permettant d'effectuer en parallèle des fonctions logiques entre faisceaux optiques. Un élément bistable optique se caractérise par l'existence de deux états stables de l'intensité transmise correspondant à une même valeur de l'intensité incidente. Un bistable optique est généralement constitué par un milieu non linéaire placé à l'intérieur d'une cavité résonante Fabry-Pérot. En faisant varier l'intensité du faisceau signal incident, on modifie l'indice du milieu non linéaire et par conséquent on désaccorde la cavité résonante. Dans ces conditions, on peut obtenir deux valeurs stables de l'intensité transmise (ou réfléchie) ainsi qu'une caractéristique non linéaire de l'intensité transmise en fonction de l'intensité incidente. On obtient ainsi une fonction analogue à celle du transistor électronique et qui peut être désignée sous la forme de transistor optique. On trouve la description d'un tel dispositif dans l'article "Premiers pas du transistor optique" de Patricia PINEAU publié dans la revue "La Recherche" numéro 114 de septembre 1980. La figure 1 représente de façon simplifiée un tel dispositif et comporte un milieu non linéaire encadré de dispositifS de réflexion R1 et R2. Ce dispositif reçoit une onde d'intensité Iiet transmet une onde d'intensité It. De tels dispositifs ont déjà été montrés en laboratoire en utilisant les milieux non linéaires suivants: - effet Kerr optique dans les liquides résonance excitonique dans les semi-conducteurs super-réseaux - absorption saturée dans les gaz. Il est maintenant bien connu que les points de fonctionnement d'un dispositif sont obtenus par intersection de la courbe de résonance de la cavité Fabry-Pérot avec une droite tournant autour d'un point fixe et dont la pente est fonction de l'intensité incidente (Figure 2). Suivant la position du point de fonctionnement, un cycle d'hystérésis ou une caractéristique non linéaire, peuvent être obtenus entre l'intensité transmise et l'intensité incidente. L'invention concerne un type de bistable reposant sur les variations d'indices induites par effet photoréfractif dans les cristaux électro-optiques. L'invention concerne donc un dispositif bistable à cristal photoréfactif caractérisé en ce qu'il comporte: - un cristal photoréfractif comportant une première et une deuxième face; - un premier miroir accolé à la première face - un deuxième miroir accolé à la deuxième face - une première source lumineuse qui émet un faisceau lumineux d'éclairement d'intensité déterminée éclairant uniformément la première face à travers le premier miror; - au moins une deuxième source lumineuse qui émet un faisceau signal de commande d'intensité déterminée, éclairant également la première face à travers le premier miroir et focalisé sur une portion déterminée du cristal photoréfractif pour effectuer la commutation bistable de cette portion de cristal photoréfactif. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un dispositif de l'art connu - la figure 2, des courbes de fonctionnement du dispositif de la figure 1, - la figure 3, un exemple de réalisation du dispositif optique bistable selon l'invention; - la figure 4, un schéma explicatif du dispositif de la figure 3; - les figures 5 à 7, des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention; - la figure 8, une matrice de bistables optiques selon l'invention; - la figure 9, un dispositif selon l'invention incorporant la matrice de la figure 8. Le changement d'indice induit par effet photoréfactif trouve son origine dans la création d'un champ de charge d'espace sous illumination locale du cristal électro-optique. Les photoporteurs générés sous illumination sont repiégés après transport dans le volume du cristal et le champ créé par ce déplacement de charges module l'indice du cristal par effet électro-optique linéaire. Cet effet est mis en évidence dans tous les matériaux éleetro-optiques (LiNbO3, BaTiO3, BSO, GaAs...). L'amplitude de l'effet ainsi que la constante de temps dépendent des propriétés intrinsèques de chaque cristal (par exemple, coefficient électro-optique, densité de pièges...). Des énergies d'inscription très faibles sont actuellement utilisées avec les cristaux photoconducteurs GaAs, InP, BGO... (Energie d'inscription d'un réseau élémentaire très peu différent de 50 à 100 pJ.cm-2;) = 1,3 jam pour GaAs X = 0,514 pm pour BSO). Par rapport aux milieux non linéaires déjà mentionnés, les effets photoréfactifs se caractérisent par les propriétés suivantes: - Mémorisation dans le noir de la variation d'indice photoinduite; - Constante de temps d'établissement de la variation d'indice contrôlée par l'intensité incidente sur le cristal relativement faible; - Variation d'indice dynamique photoinduite proportionnelle aux taux de modulation de l'intensité reçue (pour tout autre milieu non linéaire n est proportionnel à l'intensité). Le dispositif de l'invention tire profit de ces avantages en prévoyant, un dispositif bistable tel que est représenté en figure 3. Ce dispositif comporte un cristal photoréfractif 1 de forme plane. A l'une des faces 10 de ce cristal est accolé un premier miroir diélectrique 2 et à la face opposée 11 est accolé un deuxième miroir diélectrique 3. Ces miroirs peuvent être constituée par des couches d'un matériau diélectrique déposées sur les faces 10 et 11. Le coefficient de réflexion de ces miroirs est élevé, de l'ordre de 0,95. L'ensemble cristal photoréfractif 1 et miroirs 2 et 3 constitue un dispositif Fabry- Pérot à vitesse élevée. Une source lumineuse 4 émet un faisceau d'éclairement FE d'intensité Io et éclaire de façon uniforme, à travers un miroir semi-réfléchissant 6, le miroir 2 qui est suffisamment fin pour laisser passer la totalité du faisceau FE dans le cristal photoréfactif 1. Le faisceau FE peut être cohérent ou incohérent et n'induit pas de changement d'indice par effet electro-optique. Une autre source lumineuse 5 émet un faisceau signal de commande FS d'intensité dI. vers le miroir semi-réfléchissant 6 qui le réfléchit vers le cristal photoréfractif. On obtient ainsi une combinaison des faisceaux FE et FS comme représenté en figure 4. Soit d f le déphasage de l'onde signal après traversée de l'étalon FabryPérot. On a les relations suivantes dIt = dIi (1) dIt dI1 4R Sin2d 1( +( R)2 dlt (2) dn = dn. C - - o o La relation (2) traduit la variation d'indice induite par effet photoréfractif sous l'action de l'intensité locale I0 + dli. La constante de proportionnalité C dépend des propriétés du cristal utilisé, et en particulier de la variation d'indice maximum que l'on peut photoinduire dans le matériau électro-optique. Dans ces relations on a = - dIt = intensité de l'onde lumineuse (faisceau Ft) à la sortie du cristal photoréfractif 1. - R = coefficient de réflexion des miroirs 2 et 3. - dn = indice de réfraction du cristal photoréfactif o lorsqu'il est seulement éclairé par le faisceau FE et en l'absence du faisceau signal de commande FS. Si le faisceau lumineux FE éclaire en permanence le cristal photoréfactif 1 et que le faisceau signal de commande est transmis sous forme d'impulsions, on a le diagramme de la figure 5. Les points de fonctionnement du dispositif sont obtenus par solution graphique à partir des relations 1 et 2 et un exemple de cycle d'hystérésis entre l'intensité transmise et l'intensité incidente est donné sur les figures 6 et 7. A titre d'exemple de réalisation on réalise le dispositif de l'invention à l'aide d'une plaquette d'arséniure de gallium muni de miroirs diélectriques à coefficient de réflexion élevé (R1 0,95) et d'épaisseur d = 500 p}n. La variation d'indice que l'on peut induire à saturation par effet photoréfactif est de -5 l'ordre de nsat 5 x 105. Pour le point de fonctionnement indiqué sur la figure 2, on obtiendra une commutation du cycle d'hystérésis, si le déphasage induit sous l'action du faisceau signal dli vaut d qE p (1-R) avec d ' FP = déphasage Fabry- Pérot et R = coefficient de réflexion des miroirs soit d FP 0 FP %2 Le déphasage correspondant à la variation d'indice induite par effet photoréfractif s'écrit d= x d x n c' PR7% sat avec d = épaisseur de la plaquette de cristal photoréfractif d nsat = variation d'indice que l'on peut induire à saturation; soit avec les valeurs numériques adoptées i 1 pmn; d = 500 pmn; nsat 5 x 10-5 11r PR T Le déphasage induit par effet photoréfractif est donc suffisant pour commuter le Fabry-Pérot entre deux états de transmission haut et bas. Les temps de commutation de la variation d'indice photoinduite correspondent aux constantes de temps de relaxation diélectrique du cristal photoréfractif sous illumination incidente. C _ avec Co = permittivité diélectrique du vide r = permettivité diélectrique du cristal Pour de l'arséniure de gallium (GaAs), la loi de variation de la conductivité est donnée par a (I) = 10-8 + 5 x 10-8 I.cç1 cm-1 étant expriméen W.cm-2 Les temps de commutation du dispositif bistable correspondant à un faisceau signal de commande d'intensité d!i très peu différent de i mW et focalisé sur un point de diamètre 3 uM vaut E: E :o o r ( dli) pour des valeurs numériques de Er% 46 et dIil 104 W.cm2 On a un temps de commutation t de valeur = t ' 2.10-9 seconde. Le dispositif de l'invention est applicable à un réseau de bistables. Comme représenté en figure 8 la lame de cristal photoréfractif 1 peut être de dimensions tells qu'elle puisse recevoir distinctement plusieurs faisceaux signal de commande tels que FS1 et FS2. Chaque faisceau signal de commande détermine une zone (B1I, B2) correspondant chacune à un bistable. La lame de cristal photoréfractif i peut être utilisée dans un montage similaire à celui de la figure 3. On retrouve sur la figure 9 la lame en matériau photoréfractif 1 encadrée des miroirs 2 et 3, le miroir semi-réfléchissant 6, le faisceau d'éclairement FE émis par une source lumineuse 4 et éclairant uniformément avec une intensité I la lame 1. Par contre au lieu de n'avoir qu'une seule o source émettant un faisceau signal de commande FS, on a plusieurs sources et plusieurs faisceaux tels que FS1 à FS4. Ces faisceaux peuvent être disposés sous forme matricielle pour commander une matrice de bistables telle que représentée en figure 8. Pour des raisons de facilités de représentation on a considéré sur la figure 9, des faisceaux FS1 à FS4 alignés donnant lieu à des faisceaux Ftl à Ft4. Selon ce qui résulte des explications qui précède si l'intensité d'un faisceau quelconque, F3 par exemple est inférieure à un seuil déterminé, le bistable (B3) correspondant du cristal photoréfractif 1 est en position O et aucun signal lumineux (ou signal "O") n'est émis. Les autres faisceaux signaux (FS1, FS2, FS4) par contre donnent lieu à la mise en position 1 des bistables (B1, B2, B4) correspondants et des faisceaux Ftl, Ft2, Ft4 (signaux "1) sont émis. Un réseau de 32 bistables sur 32 bistables basé sur l'effet photoréfractif en arséniure de gallium peut être réalisé. Un tel réseau peut avoir les caractéristiques suivantes: - dimension entre points 1I 100 nam - diamètre de chaque point 0 = 3 jum - épaisseur d- 500 pim - coefficient de réflexion des miroirs diélectriques R-% 0,95. Si un faisceau signal a pour intensité dI. 1rvI mW à une longueur d'onde de X= 1,3 um (laser semi-conducteur) et si le faisceau d'éclairage uniforme (cohérent ou incohérent) du cristal photoréfractif a pour intensité I -'1 W.cm-2 o le temps de commutation du bistable sera sensiblement de 2 t = 2 x 10 s. Le dispositif proposé constitue un réseau de bistables à deux dimensions commandé par un faisceau de faible intensité (5 I i 1 mW pour chaque point) et dont le temps de commutation est de l'ordre de quelques nanosecondes. Les applications de ce dispositif concernent tout particulièrement le calcul optique digital parallèle. Les avantages présentés par ce dispositif sont les suivants: - Matériau massif ne comportant pas de structure super-réseaux. - Interaction non résonante fonctionnant dans un large domaine de longueur d'onde. - Temps de commutation de quelques nanosecondes pour un faisceau signal de 1 mW. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple. Les valeurs numériques notamment n'ont été fournies que pour illustrer la description. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif bistable optique à cristal photoréfractif caractérisé en ce qu'il comporte - un cristal photoréfractif (1) comportant une première et une deuxième faces (10 et 11); - un premier miroir (2) accolé à la première face (10) - un deuxième miroir (3) accolé à la deuxième face (11) - une première source lumineuse (4) qui émet un faisceau lumineux d'éclairement (FE) d'intensité déterminée (Io) éclairant uniformément la première face (10) à travers le premier miroir (2); - au moins une deuxième source lumineuse (5) qui émet un faisceau signal de commande (FS) d'intensité (dli) déterminé, éclairant également la première face (10) à travers le premier miroir (2) et focalisé sur une portion déterminée (12) du cristal photoréfractif (1), pour effectuer la commutation bistable de cette portion (12) de cristal photoréfractif. 2. Dispositif bistable optique à cristal photoréfractif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir semitransparent (6) recevant distinctement le faisceau d'éclairement (FE) et le faisceau signal de commande (FS) et les combinant pour les transmettre à la première face (10) du cristal photoréfractif (1) à travers le premier miroir (2). 3. Dispositif bistable optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième miroirs (2 et 3) sont des miroirs diélectriques dont le coefficient de réflexion est élevé. 4. Dispositif bistable optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit coefficient de réflexion est voisin de 0,95. 5. Dispositif bistable optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensité (Io) dudit faisceau lumineux d'éclairement est très faible comparée à l'intensité du faisceau