Brevet FR2647552A1 — publié le 19901130

La présente invention concerne les systèmes d'échantil- lonnage de signaux électriques qui utilisent des impulsions d'échantillonnage optiques ultracourtes (de l'ordre de 10 pico- secondes (ps) ou moins) et, en particulier, un système de mesure qui utilise, comme sonde, un modulateur à interféromètre électro- optique de Fabry-Perot, qui est sensible aux champs électriques et transforme ces champs en une modulation d'intensité d'un faisceau optique, de sorte que, lorsqu'ils sont détectés à l'aide d'un détecteur photosensible, les signaux peuvent être mesurés avec une résolution'temporelle et une sensibilité élevées. Les systèmes d'échantillonnage de signaux électriques, tels que ceux présentés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique oo n 4 618 819, délivré le 21 octobre 1986 et n 4 681 449, délivré le 21 juillet 1987, et dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 709 751, déposée le 8 mars 1985, qu'on retrouvera o dans la demande de brevet européen n 0 197 196, publiée le 15 octobre 1986, peuvent être améliorés à l'aide de l'invention du fait que les signaux électriques sont échantillonnés avec une sensibilité accrue par comparaison avec ce que produisent les modulateurs, ou sondes, à cellules de Pockels qui y sont décrits. L'invention utilise comme modulateur, un interféromètre de Fabry-Perot. Ces interféromètres et leur fonctionnement sont bien connus dans la technique et sont décrits dans le document "Introduction to Modern Optics", deuxième édition, de Grant R. Fowles publié par Holt, Reinhart and Winston, Inc. Les principes de fontionnement de ces interféromètres sont dicutés dans les sec- tions 4.1, 4.2 et 4.3 de cet ouvrage. On a également suggéré l'utilisation, comme modulateurs, d'interféromètres de Fabry-Perot à la fois avec des cristaux biréfringents électro-optiques (voir V.N. Del Piano et A.F. Quesada, Applied Optics, vol. 4, n 11, novembre 1965, pages 1386-1390) et utilisant des matériaux piézo- électriques (voir S.R. Blom et V. Del Piano, NEREM Record -1964, pages 68 et 69). Les brevets suivants discutent également l'utilisation, comme modulateurs optiques, de montages à inter- féromètres de Fabry-Perot: le brevet des Etats-Unis d'Amérique on3 668 558 déivré e 6 juin 1972 e brevet des Etats-Unis n 3 668 558 délivré le 6 juin 1972; le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 196 396 délivré Le 1er avril 1980; le brevet des Etats- Unis d'Amérique n 4 221 472 délivré le 9 septembre 1980; et le brevet de La République Fédérale Allemande DE- 364 034A1 publié le 27 mai 1987. De tels interféromètres Fabry-Perot utilisent des couches relativement épaisses de matériaux à indice de réfraction optique variable ou piézo-électriques. SeLon l'invention, il a été découvert que l'on pouvait efficacement moduler des impulsions d'échantillonnage ultracourtes dans une sonde possédant un modulateur à interféromètre de Fabry- Perot doté d'une couche ultra mince d'un matériau à indice dont la variation est induite par le champ ou un matériau piézo-électrique, qui définit la cavité de l'interféromètre Fabry-Perot. Le champ dû au signal électrique à échantillonner s'étend dans la cavité, de préférence suivant l'axe c d'un matériau électro-optique à indice dépendant du champ ou bien le champ s'étend dans le matériau piézo- électrique, lequel, dans le cas du matériau piézo-électrique, peut être aligné par une première polarisation du matériau au moyen d'un champ électrique continu. La présence d'un champ E augmente ou diminue (selon les signes du champ E) le trajet optique, soit nd, de la cavité de FabryPerot, o n est l'indice de réfraction et d est l'épaisseur de la cavité. Ceci produit un décalage dans la fenêtre de transmission et, par conséquent, module le faisceau optique de détection. C'est donc le but principal de l'invention de fournir un système d'échantillonnage de signaux électriques utilisant un modu- lateur de Fabry-Perot (FP) dans lequel le signal électrique est échantillonné électro-optiquement par des impulsions optiques ultracourtes (de l'ordre de 10 ps ou moins), si bien qu'on améliore la sensibilité du système d'échantillonnage par la finesse du FP. On pourra se reporter à l'équation (4.9) du document ci-dessus cité de Foules pour une définition de la finesse. En bref, l'invention vise à améliorer un système qui échantillonne éLectro-optiquement un signal électrique à l'aide d'impulsions optiques ultracourtes par incorporation d'un modula- teur de Fabry-Perot dans lequel les impulsions optiques passent et sont modulées en amplitude par le signal électrique. Le modulateur utilise une couche mince de matériau éLectro-optiquement sensible (qui est à indice variabLe ou bien piézoélectrique) et des couches réfléchissantes, les couches réfléchissantes définisent la cavité de l'interféromètre FabryPerot dans laquelle la couche mince est placée et suivant la largeur de laquelle les impulsions optiques se propagent. En d'autres termes, un faisceau d'impulsions optiques traverse la cavité de l'interféromètre Fabry-Perot. La couche de la cavité est suffisamment mince pour doter le modulateur d'une caractéristique de transmission possédant une largeur de bande dont la largeur à mi-hauteur (FWHM) est d'au moins environ 10 fois celle des impulsions d'échantillonnage optiques. De préférence, la couche mince possède une épaisseur égale à X /2, o X est la Longueur d'onde centrale du spectre des impulsions optiques. Ainsi, la largeur de bande de la courbe de transmission est augmentée, tandis que l'amélioration de sensibilité du modulateur est maintenue. La courbe de transmission possède des bords supérieur et inférieur de bande qui augmentent et diminuent entre des limites supérieure et inférieure. On accorde le Fabry-Perot en ajustant l'indice de réfraction ou la distance sur laquelle les impulsions se propagent, de façon que Le spectre des impulsions tombe sur l'un des bords entre les limites supérieure et inférieure. L'impulsion d'échantillonnage optique est efficace- mnet modulée en amplitude du fait du petit décalage de la courbe de transmission du FP. Ce décalage modifie le niveau de signal détecté par un détecteur photosensible appartenant au système d'échantillonnage et correspond à l'amplitude du champ électrique soumis à l'essai, ce qui produit un signal électrique que l'on peut soit mesurer, soit afficher. La description suivante, conçue à titre d'illustration de L'invention, vise i donner une meilleur compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: La figure 1 est un schéma illustrant de manière simpli- fiée un système d'échantillonnage de signaux électriques qui constitue un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est un graphe représentant la courbe de transmission du modulateur à interféromètre Fabry-Perot du système de La figure 1; et La figure 3 est une vue en coupe et en élévation d'une sonde à interféromètre Fabry-Perot qui peut être utilisée dans un système d'échantillonnage de signaux électriques selon l'invention On se reporte à la figure 1, qui représente un système d'échantillonnage de signaux électriques du type décrit de façon générale dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 618 819 ci-dessus cité. Il utilise une source de fréquence 10 qui peut être un oscillateur de 100 MHz excitant un générateur de signal en peigne 12 produisant des impulsions électriques de moins de ps. Le générateur de peigne 12 est une diode de commutation à mémoire électrostatique. Le générateur de peigne d'impulsions électriques excite ensuite un laser à diode 14 qui peut produire une forme en peigne d'impulsions successives 16. Le laser à diode fonctionne de préférence dans le proche infrarouge à environ 1 300 nanomètres (nm), mais il peut fonctionner à d'autres longueurs d'ondes. Le faisceau d'impulsions d'échantillonnage se propage dans un modulateur à interféromètre Fabry-Perot 18 que l'on a incliné par rapport au faisceau pour accorder le modulateur de façon que le spectre des impulsions (PS) se trouve au point situé à environ 50 % le long de la pente de la courbe de transmission du modulateur (voir figure 2). Cette courbe de transmission est illustrée sur la figure 2. Elle est caractéristique de la classe de modulateurs de Fabry-Perot et est discutée dans le document ci-dessus cité de G.R. Fowles. La courbe posséde des régions de transmission qui se répètent à intervalles connus comme le domaine spectral Libre (FSR). On utilise la première crête de transmission des intervalles répétitifs. Cette première crête correspond à un trajet optique de la cavité qui est égal à /2. La courbe de transmission (également appelée la caractéristique) possède des bords inclinés (en termes de longueur d'onde) inférieur et supérieur. Cette caractéristique possède, pour la FWHM, une largeur de bande correspondant à une t longueur d'onde d'environ 2 000 A (0,2 micron) laquelle est de nombreuses fois plus large que la largeur de bande du spectre des impulsions optiques ultracourtes. Par exemple, une impulsion optique limitée par transformation, de 1 ps, possède une largeur de e bande d'environ 10 A (1 nm). Cette valeur est inférieure à 1/100 de la largeur de bande du FP. La fenêtre de longueur d'onde, ou transmission, a est donnée pour un interféromètre FP, par l'expression suivante: domaine spectral libre (FSR) finesse (F) o le domaine spectral libre (FSR) est donné par À2/2nd et la finesse (F) est donnée par (R)1/2 /(1-R), A étant la longueur d'onde, n étant l'indice de réfraction, d étant l'écartement entre miroirs, et R étant le facteur de réflexion du miroir, c'est-à-dire que l'expression est la sui- vante: AX (1-R) 7T nd Pour un FP du premier ordre (c'est-à-dire du type filtre interférentiel): nd = X/2. Pour des impuLsions d'une longueur d'onde de 1 Mm et une valeur de R de 90 %, on obtient: à A= 6 x 10 m = 600 A Puisque la largeur de bande (en fréquence) est donnée par: À= C e 2, o C est la vitesse de la lumière, alors, pour l'exemple donné ci-desus, on obtient: Av= 2 x 103 Hz, ce qui constitue la fenêtre spectrale. On obtient la courbe de transmission à l'aide d'une pel- licule ou couche mince de matériau électro-optique qui peut être une pellicule d'un polymère piézo-électrique ou une couche d'arséniure de gaLLium (GaAS). Il est possibLe d'utiliser n'importe quel matériau électro-optique qui peut être déposé en pellicules très minces. Actuellement, seul GaAs est susceptible de croître, de manière fiable, en pellicule mince ayant l'épaisseur voulue sous forme mono-cristaLline. Lorsque d'autres matériaux, tels que CdS ou CdSe, deviendront disponibles, on pourra les utiliser. GaAs est également légèrement piézo-électrique. L'interféromètre FP est construit par deux surfaces réfléchissantes et prenant en sandwich la couche médiane électro-optique (E-O). Les revêtements réfléchissants peuvent être des pellicules métalliques minces, 22 et 24, (à savoir une pellicule d'aluminium de 15 nm) ou bien des empilements diélectriques sophistiqués qui sont constitués de couches à indices alternativement élevé et bas ayant chacune une épaisseur de X/4. Si la couche de la cavité est faite de GaAs, on peut alors faire croître par épitaxie, avec la précision exacte voulue, ces couches de GaAs à indices éLevé/bas. Les couches à indices éLevé/bas peuvent être dopées suivant le type n ou p pour permettre une accumulation de charge au niveau de la couche de cavité médiane. On obtient alors un champ E intense. Des techniques de dépôt en pellicules minces du type connu dans la technique (voir le brevet des Etats- Unis d'Amérique n 3 692 572 du 19 septembre 1972) peuvent être utilisées. On établit des con- nexions avec les couches réfléchissantes, qui fournissent des électrodes, comme représenté en 26 et 28. Les couches réfléchis- santes définissent la cavité de l'interféromètre Fabry-Perot. Dans le cas o l'on utilise le matériau cristallin électro-optique (tel que GaAs), son axe c, ou axe de symétrie de rotation, est généralement perpendiculaires aux surfaces des couches réfléchissantes 22 et 24 qui définissent la cavité. Ensuite, un signal électrique venant d'un dispositif soumis à essai (DUT) est appliqué entre Les couches réfléchissantes conductrices 22 et 24 (dont l'une est connectée au dispositif soumis à essai et l'autre à une borne 30, telle que par exemple la terre ou une impédance de terminaison). Alors, le champ électrique du au signal qui passe dans la couche mince électro- optiquement active est aligné avec l'axe c. On peut faire varier L'indice du matériau électro- optiquement actif en ajoutant des agents de dopage appropriés ou bien on peut ajuster L'épaisseur en inclinant L'interféromètre Fabry-Perot 18, comme représenté sur La figure 1, afin d'accorder la caractéristique de transmission et de faire en sorte que le spectre des impulsions optiques (PS sur La figure 2) tombe sur La pente de la caractéristique de transmission, de préférence approxi- mativement sur le point de transmission à 50 %. IL est également possible d'accorder la longueur d'onde du laser de manière à arriver sur le point de transmission à 50 Z. La modulation répond donc aux deux polarités du signal électrique venant du dispositif soumis à essai. On peut utiliser, comme couche électro-optiquement active, une pellicule de polymère piézo-électrique. Un polymère piézo-électrique tel que celui vendu par la société Pennwalt Chemical Company, de Philadelphie, Pennsylvanie, Etats-Unis d'Amérique, sous le nom de marque "Kynar", peut être utilisé. Ce qui suit est un exemple de la manière dont on peut fabriquer une pellicule de polymère piézo-électrique. On dissout le polymère dans de l'acétone et on le dépose par rotation sur le substrat 20 après avoir revêtu le substrat de la couche réfléchissante 22. Ce processus est identique à celui utilisé pour l'application d'un agent photosensible du type réserve. Après application de la pelli- cule réfléchissante conductrice opposée, qui prend en sandwich le polymère, on polarise le polymère piézo-électrique en appliquant une tension entre les pellicules réfléchissantes, par exemple un champ E de 5 à 10 V/pm. L'utilisation d'une très mince pellicule E-O dans la cavité du modulateur 18 a pour avantage supplémentaire de permettre une finesse élevée, qui produit une caractéristique de transmission étroite, et de réduire le temps de réponse, puisque le retard apparaissant dans les réflexions multiples entre les couches réflé- chissantes 22 et 24 avant la sortie des impulsions optiques hors du modulateur diminue. Les réflexions vers l'arrière, qui sont indiquées par la ligne en trait interrompu 32 peuvent être absorbées par un quelconque matériau absorbant non représenté. La finesse peut également être définie par le rapport du domaine spectral libre a la largeur de bande de la caractéristique de transmission pour la FWHM. On revient à La figure 1. L'affichage ou la mesure du signal venant du dispositif soumis a essai se produit d'une manière analogue à celle décrite dans les brevets ci-dessus cités et définissant des dispositifs d'échantillonnage de signaux élec- triques, à l'aide d'un moyen de détection et d'affichage 34, qui peut être un appareil de prise de vues à raies, mais est de préférence un détecteur photosensible, par exemple une diode PIN. Le système possède (à la sortie du laser 14) un polariseur dispose sur son extrémité antérieure, qui est aligné avec l'axe extraor- dinaire (c'est-a-dire l'axe sensible au champ E) du cristal E-O. Ceci n'est nécessaire que lorsque l'effet de modulation est provoqué par une variation de l'indice de réfraction. Des variations de l'indice ou de l'épaisseur qui s'effectuent en réponse au signal électrique peuvent être directement détectées au titre de variation de l'amplitude ou de l'intensité de la lumière transmise au travers de l'interféromètre FP. Les parties succes- sives du signal, telles qu'elles sont échantillonnées, sont observées sur le moyen de détection et d'affichage 34 par une technique de déphasage utilisant un déphaseur 36 qui excite un autre générateur de peigne 38. On applique ensuite au dispositif soumis à essai des impulsions diversements retardées afin d'obtenir le signal de sortie électrique fourni par le dispositif soumis à essai au modulateur de Fabry-Perot 18, ce qui permet de caractériser le dispositif soumis à essai. Pour produire un capteur, ou sonde, sans contact, on peut utiliser un modulateur à interféromètre Fabry-Perot 40, tel que représenté sur la figure 3. Cette sonde est représentée comme se trouvant au voisinage de conducteurs 42 et 44 qui transportent le signal soumis à essai. Le signal soumis à essai produit un champ, indiqué en 46, qui passe dans le modulateur 40. Le modulateur pos- sède des couches réfléchissantes en pellicules minces diélec- triques qui peuvent être des pellicules multi-couche de matériau diélectrique 48 et 50. On utilise de manière souhaitable de tels matériaux comme éléments réfléchissants, puisqu'ils ne réfléchis- sent pas le champ électrique. Un matériau électro-optiquement actif se présentant sous la forme d'une couche en pelLicule mince 52 est disposé entre les couches réfléchissantes 48 et 50. Les impulsions optiques se propagent dans le modulateur 40 et sont modulées (avec un changement de la transmission en fonction du champ, qui est dû au signal appliqué sur les conducteurs 42 et 44). Ces impulsions sont ensuite affichées à l'aide d'un système tel que celui repré- senté sur la figure 1 ou bien dans les brevets ci-dessus cités se rapportant à des systèmes d'échantillonnage de signaux éLectri- ques. En réalité, le modulateur de Fabry-Perot 52 est très petit. Il peut être utilisé pour détecter des signaux sur des micro- circuits, par exemple des puces de circuit intégré. Sur la base de la description précédente, il apparait clairement qu'il a été produit un système perfectionné d'échantil- lonnage de signaux électriques, qui fonctionne avec des impulsions d'échantillonnage optiques ultracourtes. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du système dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de mesure d'un signal électrique à l'aide d'impulsions optiques ultracourtes, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur de Fabry-Perot (18) dans lequel lesdites impulsions optiques passent et sont modulées en amplitude par variation de leur transmission en fonction dudit signal électrique, ledit modulateur comprenant une couche mince d'un matériau électro-optiquement sensible, des couches réfléchissantes (22, 24), lesdites couches réfléchissantes définissant une cavité dans laquelle Ladite couche mince est placée et suivant la largeur de laquelle lesdites impulsions optiques se propagent, ladite largeur étant suffisamment mince pour donner audit modulateur une caractéristique de transmission dont la largeur de bande, pour la largeur à mi-hauteur, vaut au moins 10 fois la largeur de bande spectrale desdites impulsions optiques, ladite caractéristique de transmission possédant des bords supérieur et inférieur de bande qui augmentent et diminuent entre des limites supérieure et inférieure, et un moyen permettant d'accorder ledit modulateur de façon que le spectre desdites impulsions se trouve entre lesdites limites supérieure et inférieure le long d'un desdits bords de la bande. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche de matériau électro-optiquement sensible est un matériau dont l'indice de réfraction varie en fonction dudit signal. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche mince de matériau électro-optiquement sensible est piézo-électrique si bien que ladite largeur varie en fonction dudit signal. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche mince est une pellicule de polymère piézo- électrique. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche mince possède une épaisseur mesurant environ la moitié de la longueur d'onde moyenne desdites impulsions optiques. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites couches réfléchissantes sont des couches métalliques minces, et en ce que des connexions (26, 28) sont prévues pour appliquer ledit signal électrique entre lesdites couches métal- tiques. 7. Système seLon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau piézo-électrique possède un axe de polarisation aligné de manière à être sensiblement perpendiculaire auxdites couches réfléchissantes du matériau électro-optiquement sensible. 8. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que Le matériau est cristallin et posséde un axe c de symétrie. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit axe c est sensiblement aligné avec le champ qui est du audit signal électrique. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit matériau contient principalement GaAs.