Brevet FR2619938A1 — publié le 19890303

Transiateur de fréquence pour onde du domaine infra-rouge moyen. L'invention concerne un translateur de fré- quence pour une onde du domaine infra-rouge moyen, c'est-à-dire de longueur d'onde supérieure à 3 mi- crons. Un tel dispositif a des nombreuses applications dans les systèmes de transmission d'information par modulation de fréquence; dans les systèmes de détec- tion cohérente par hétérodynage, etc... Les transla- teurs classiques sont soit du type acousto-optique, mettant en oeuvre un interaction entre une onde opti- que et un réseau diffractant en mouvement dans le milieu de propagation de l'onde; soit du type à lames biréfringentes tournantes, la rotation étant mécani- que ou électro-optique. Dans le domaine de l'infrarouge moyen, les dis- positifs les plus couramment utilisés sont ceux du ty- pe acousto-optique. Un tel dispositif comporte un cristal couplé mécaniquement à un transducteur acous- tique. Les vibrations produites par le transducteur se propagent dans le cristal en créant des variations lo- cales de son indice de réfraction. La propagation de ces variations locales constitue un réseau diffrac- tant qui se déplace à une vitesse constante. L'onde dont la fréquence est à translater est projetée à la surface du cristal o elle est diffractée en subissant une translation de fréquence par effet Doppler. Ce type de translateur a pour inconvénient le fait que l'onde diffractée a un angle d'émergence qui est fonc- tion de la valeur de la translation de fréquence. Néanmoins pour palier cet inconvénient, il est possi- ble d'utiliser ces translateurs de l'art connu en le3 associant, par exemple, par paire. Le faisceau translaté n'est alors plus dévié mais on ne s'affranchit pas, de cette manière, d'une translation du faisceau parallèlement à lui-même; ce qui pose de nombreux problèmes au sein des systèmes, cette translation dépendant de la variation de fré- quence subie par le faisceau. De plus, l'association de ees translateurs augmente la complexité des systèmes. Le but de l'invention est de proposer un trans- lateur de fréquence, fonctionnant dars le domaine in- frarouge moyen, qui n'ait pas ces inconvénients et qui soit facilement intégrable à un dispositif optique in- tégré dans un substrat semi-conducteur. L'objet de l'invention est un translateur de fréquence comportant un réseau diffractant en mouve- ment, créé par photo-induction de porteurs à la sur- face d'un guide d'onde optique intégré dans un semi- conducteur. Les techniques connues permettent la fa- brication de guides optiques intégrés relativement longs, supérieurs à 1 cm. L'interférence de deux ondes optiques, de fréquences différentes, permettent de créer, à la surface de ce guide, un réseau diffractant relativement long qui procure une bonne efficacité du translateur dans le domaine infra-rouge moyen. Selon l'invention, un translateur de fréquence pour onde du domaine infrarouge moyen, comportant un réseau diffractant, en mouvement pour translater par effet Doppler la fréquence d'une onde appliquée sur ce réseau, est caractérisé en ce qu'il comporte: - un guide optique dans lequel est guidé l'onde dont la fréquence est à translater, eConstitué de maté- riaux semi-conducteurs, et à la surface duquel un réseau diffractant est créé par des porteurs photo- induits par un éclairement p6riodique; - des moyens pour produire et pour faire inter- férer, à la surface du guide deux faisceaux d'onde ayant deux fréquences différentes, appartenant au do- maine infra-rouge proche ou visible, pour produire un éclairement périodique en translation à la surface du guide. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparaîtront à l'aide de la description ci- dessous d'un exemple de réalisation, et de la figure l'accompagnant. Il est connu d'utiliser un réseau diffractant gravé à la surface d'un guide optique pour coupler celui-ci au milieu extérieur. Le réseau dévie vers l'extérieur l'énergie d'une onde guidée se propa- geant dans le guide. Cet exemple de réalisation com- porte un guide optique constitué par une couche 3 d'un premier matériau semi-conducteur et par une eou- che intermédiaire 2 constituée d'un second matériau semi-conducteur, déposées par épitaxie sur un subs- trat semi-conducteur 1. L'onde dont la fréquence est à translater, est une onde guidée 4 qui est appliquée parallèlement aux couches 3 et 2 pour être guidée par celles-ci. Sa pul- sation, frL-i, appartient au domaine infra-rouge moyen. La couche 2 est une couche tampon ayant un in- dice optique intermédiaire entre celui de la couche 3 et celui du substrat 1, pour mieux confiner le mode guidé. Les matériaux et les épaisseurs des couches 3 et 2 sont choisis tels que les pertes du mode guidé que l'on souhaite faire diffracter à l'extérieur du guide 3 soient les plus faibles possibles, au voisi- nage de la longueur d'onde de l'onde guidée. Ceci compte-tenu d'un dopage possible du substrat. Ainsi l'onde guidée 4 peut interagir sur toute la longueur du guide 3. Cette longueur peut être supérieure à un centimètre. Grâce à cette grande longueur, il est pos- sible d'obtenir une excellente efficacité de diffrac- tion. Dans cet exemple de réalisation, les pertes du mode fondamental transverse électrique TE0 sont infé- rieure à ldB/cm. Une diode laser 9 fournit un faisceau lumineux cohérent 12, de fréquence JLv située dans le domaine v infra-rouge proche. Ce faisceau 12 est séparé en deux faisceaux, 5 et 19, par une lame semi-transparente 10. Le faisceau 13 entre dans un translateur de fréquence, 11, de type connu, fonctionnant dans le domaine infra- rouge proche. Le translateur 11 restitue un faisceau 6, de pulsation \v + A r-v fixée. La lame 10 et le vv translateur 11 projettent sur la surface externe de la couche 3 respectivement le faisceau lumineux 5 de pul- sation fL. et le faisceau lumineux 6 de pulsation JL. v+ t 5'v ' ces deux pulsations appartenant au domaine du proche infra-rouge. L'interférence des faisceaux 5 et 6 à la sur- face de la couche 3 provoque un éclairement non uni- forme dont la valeur varie périodiquement dans l'es- pace et dans le temps. Cet éclairement génère des va- riations locales de l'indice de réfraction dans la couche 3 et ces variations constituent un réseau dif- fractant 8 ayant un mouvement de translation à vitesse constante. Le réseau diffractant 8 dévie, vers l'exté- rieur du guide 3, l'énergie de l'onde 4, en modifiant sa fréquence par effet Doppler. L'onde diffractée a un angle d'émergence 9 par rapport à la normale à la cou- che 3 et a une pulsation -f.i + P.A -X.v' o P est l'ordre de diffraction. En pratique, la majeure partie de l'énergie diffractée est contenue dans un faisceau diffracté 7 correspondant au premier rang de diffraction. En optique intégrée, il est possible d'utili- ser un translateur 11 comportant un monocristal de LiNbO3 dans lequel un réseau diffractant en mouvement est produit par effet électrooptique; ou bien d'uti- liser un modulateur de phase, commandé par une rampe de tension; ces deux types de dispositifs étant de réalisation classique dans le domaine de l'infra- rouge proche ou du visible. Le laser fournissant les deux faisceaux 5 et 6 a une longueur d'onde du domaine proche infra-rouge ou visible, ce qui permet l'utilisation d'une diode laser à semi-conducteur. Il est possible de démontrer que l'angle, dans l'air, satisfait la relation suivante: sin + P. (1) o Xi est la longueur d'onde dans le vide de l'onde 4 à translater; A. est le pas du réseau 8; /k est l'indice effectif du mode de propagation dans le guide; P est l'ordre de diffraction. La valeur du pas du réseau 8 est déterminée par l'angle d'incidence a des faisceaux 5 et 6 sur la cou- che 3, et par la longueur d'onde Iv correspondant à la pulsation]L. du faisceau 5, conformément à la for- mule: v (2) = 2sina La pulsation -L du faisceau 5 et la pulsa- v tion -f\-v + A -f- du faisceau 6 sont peu différentes et appartiennent au domaine infra-rouge proche, dans cet exemple. Pour que ces faisceaux 5 et 6 puissent engendrer des photoporteurs dans les matériaux semi- conducteurs de la couche 3, ces fréquences doivent être choisies telles que l'énergie qui leur correspond soit supérieure à l'énergie de la bande interdite du matériau de la couche 3. On démontre que le faisceau diffracté 7 a une pulsation translatée -C.t qui est donnée par la for- mule suivante: J-It = JA-i + P. L v (3) o P est l'ordre de diffraction utilisé, et o àA v- est l'écart algébrique de pulsation entre les v faisceaux 5 et 6. Il est possible de commander ainsi une translation de fréquence vers des fréquences supé- rieures ou vers des fréquences inférieures, avec un écart fonction de l'écart de fréquence entre les fais- ceaux 5 et 6. Si le mode de propagation est le mode TE., et si l'ordre de diffraction utilisée est l'ordre -1, avec un angle 9 fixé, l'angle a d'incidence des fais- ceaux 5 et 6 est alors déterminé selon la formule: Xv sina = 2i( 6o/k sing) (4) dans laquelle Po/k est l'indice effectif pour le mode de propagation TEo;.i est la longueur d'onde, dans le vide, de l'onde 4 dont la fréquence est à translater; et k1v est la longueur d'onde, dans le vide, du faisceau 5 produisant les interférences. Dans un exemple de réalisation, pour trans- later la fréquence d'une onde ayant pour longueur d'onde i = 10,6 microns, dans le vide, le guide opti- que peut être constitué par une couche 3 de Gao,47 In53 As avec un dopage N- inférieur à 101 cm-3; et 0,53 par une couche 2 de InP avec un dopage de type N in- férieur à 1015cm-3. Le substrat 1 peut être constitué de InP avec un dopage de type N+ égal à 2.1018cm-3. Les couches 3 et 2 ont chacune une épaisseur de 5 mi- crons. Leurs indices sont respectivement N3 = 3,39 et N2 = 3,04. L'indice du substrat est N1 = 2,6. L'in- dice effectif du mode de propagation TEo est égal à 3,3. La longueur d'onde des faisceaux 5 et 6 est infé- rieure à 1,8 microns, c'est-à-dire située dans le domaine du proche infra-rouge. Cet exemple de réalisation permet, par exem- ple, d'obtenir une translation relative de fréquence, de l'ordre de _ 10-2 /O, au voisinage de la longueur d'onde ki = 10,6 microns. L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, de nombreuses variantes sont à la portée de l'homme de l'art, notamment dans le choix des matériaux semi-conducteurs pour réaliser le guide optique. Dans un autre exemple de réalisa- tion, la couche 3 peut être constituée de GaAs avec un faible dopage; la couche 2 peut être constituée de GaAlAs, avec un faible dopage, et le substrat peut être constitué de GaAs avec un fort dopage. Les fais- ceaux 5 et 6 ont une longueur d'onde égale à 0,85 mi- crons, située dans le proche infra-rouge. Le translateur selon l'invention est appli- cable notamment dans le domaine de l'optique intégrée. REVENDICATIONS 1. Translateur de fréquence pour onde du do- maine infra-rouge moyen, comportant un réseau dif- fractant (8), en mouvement pour translater par effet Doppler la fréquence d'une onde (4) appliquée sur ce réseau (8), caractérisé en ce qu'il comporte: - un guide optique (2, 3) dans]equel est guidé l'onde (4) dont la fréquence ( fl.i) est à translater, constitué de matériaux semi-conducteurs, et à la sur- face duquel le réseau diffractant (8) est créé par des porteurs photo-induits par un éclairement pério- dique; - des moyens (9 à 11) pour produire et pour faire interférer, à la surface du guide (2, 3) deux faisceaux d'onde (5, 6) ayant deux fréquences diffé- rentes, appartenant au domaine infra-rouge proche ou visible, pour produire un éclairement périodique en translation à la surface du guide (2, 3). 2. Translateur de fréquence, selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les moyens (9 à 11) pour produire et faire interférer deux faisceaux d'onde (5, 6), comportent une diode laser à semi- conducteur. (9), émettant dans le domaine infra-rouge proche ou visible; et un translateJr de fréquence (11), de type connu, fonctionnant dans le domaine infra-rouge proche ou visible.