Brevet FR2650440A1 — publié le 19910201

CULCUIT RTRCTRONIQUE DE TRAITEMENT DE SIGNAUX LUMINEUX. la présente invention concerne un circuit électronique de traitement de signaux lumineux. Ce cIrcuit, de type différentiel et qul utilise au moins un transistor sensible à la lumière,. fonctionne soit en comparateur de lumière, soit en amplificateur opérationnel, soit en amplificateur différentiel. Le traitement de l'information se fait actuellement selon deux procédés : le procédé électrique bien connu, qui a donné naissance å une large part de la microélectronique, et le procédé optique, selon lequel la vitesse des électrons est avantageusement remplacée par la vitesse de la lumière, généralement propagée par des fibres optiques. Ces deux procédés, basés sur des propriétés physiques différentes, nécessitent des interfaces optoélectroniques pour convertir un flux d'électrons en faisceau de photons ou réciproquement. Généralement, le faisceau lumineux ne sert que de moyen de transmission rapide des informations, tandis que les opérations de traitement de l'information se font au niveau électrique. En effet, les émetteurs ou récepteurs de lumière, lasers ou diodes électroluminescentes, opèrent de façon globale : ils ne peuvent pas par exemple comparer deux faisceaux lumineux, ou amplifier. En outre, les diodes électroluminescentes ont une tension de seuil en dessous de laquelle elles ne réagissent pas. En outre, la chaine de traitement d'une information lumineuse passe par des photo-diodes dont le courant de sortie est d'abord amplifié avant d'être traité, avec les limitations dues à la tension de seuil des photodiodes, et à leur faible bande passante, limitée actuellement å quelques centaines de Mégahertz. Le circuit selon l'invention constitue un progrès par rapport aux circuits existant en ce sens qu'il comporte au moins un transistor réalisé en matériaux du groupe III-V, tels que GaAs, InP ou d'autres alliages binaires, ternaires ou quaternaires. Ce transistor est utilisé comme détecteur, et c'est lui qui quantifie directement le signal lumineux, avec amplification si nécessaire. De plus, ce transistor est polarisé sur sa grille par une tension qui le fait fonctionner en linéaire : il n'a pas de tension de seuil, et est sensible aux faibles signaux lumineux, dès lors qu'il sont aux moins égaux au bruit du transistor. Dans un montage différentiel, les deux tensions de grilles permettent, entre autres, de fixer un seuil de basculement et d'équilibrer les deux voies. De façon plus précise, l'invention concerne un circuit électronique de traitement de signaux lumineux, pour la transformation d'un signal lumineux en un signal électrique, caractérisé en ce que l'élément de détection et de quantification de la lumière, et d'amplification du courant correspondant est constitué par un transistor à effet de champ réallsé en matériaux du groupe III-V, tels que GaAs, GaALAs, InP, et leurs alliages binaires, ternaires et quaternaires, le signal lumineux étant appliqué sur la région de grille du dit transistor. L'invention sera mieux comprise par la description suivante d'un exemple de réalisation, en relation avec les figures Jointes qui représentent - figure I : schéma électrique d'un comparateur de lumière selon l'art connu, - figure 2 : schéma électrique d'un comparateur de lumière selon l'invention . Pour comparer un signal lumineux soit par rapport à un signal lumineux de référence, soit par rapport à une tension de référence, on utilise actuellement le montage de la figure 1, qui est simple mais limité en performances. Le signal lumineux a traiter est détecté par une photo-diode 1, qui le transforme en un courant électrique amplifié par un amplificateur. 2, dont la sortie est adressée sur la première entrée d'un comparateur 3. La référence adressée sur la seconde entrée du comparateur 3, peut provenir soit d'une source électrique ajustable 4, soit d'un second faisceau lumineux de référence, détecté par une seconde photodiode 5 avec amplification par un second amplificateur 6. Les voies de référence lumineuse et électrique peuvent coexister cela permet de modifier électriquement le seuil de basculement, ou l'offset d'entrée du comparateur 3. Ce système est simple, mais limité en performances en raison de la tension, de seuil des photodiodes 1 et 5, en dessous de laquelle elles sont insensibles aux faisceaux lumineux. En outre, la détection optique, l'amplification et la comparaison de signaux sont trois fonctions séparées, et la puissance d'entrée optique minimale pour la voie de mesure est limitée par le bruit généré par la photodiode 1, l'amplificateur 2 et le comparateur 3. La bande passante dépend des performances de la photodiode, de la qualité de la liaison physique avec l'amplificateur et de sa bande passante. Les meilleurs résultats connus actuellement sont de quelques centaines de mégahertz. Ce qui autorise å utiliser des transistors silicium pour l'amplificateur et le comparateur. Le circuit selon l'invention met à profit la sensibilité connue des matériaux du groupe III-V à la lumière pour intégrer dans un même transistor les fonctions de détection de la lumière, sa conversion électrique et d'autres fonctions possibles telles que l'amplification, la fixation d'un seuil ou l'équilibrage d'un circuit, s'il comporte plusieurs transistors. Ceux-ci sont donc réalisés en matériaux photosensibles tels que GaAs, GaAlAs, InP... ou d'autres alliages binaires, ternaires ou quaternaires, ce qui permet au circuit de fonctionner au-deiâ de l GHz. Afin de rendre la description de l'invention plus claire, celle-ci sera exposée en s'appuyant sur l'exemple non limitatif d'un comparateur de lumière, dont le schéma électrique est donné en figure 2. Il comporte deux transistors à effet de champ 7 et 8, alimentés entre deux tensions VDD et V55 à travers des sources de courants qui fournissent des courants Il et I2 respectivement sur les transistors 7 et 8. Les sources des transistors sont réunies entre elles et à une source de courant qui débite un courant I = I1 + Iz. 1 2 Les sorties du comparateur sont prises sur les drains des transistors 7 et 8, en 9 et 10 respectivement. Les grilles des transistors sont polarisées par des tensions électriques, appliquées à travers des résistances il et 12. Sur le transistor 7 est appliquée une tension E si l'on considère que celui-ci est le transistor de mesure, et sur le transistor 8 est appliquée une - tension Ref s'il est le transistor de référence. Les transistors peuvent être de différents types J. FET, MESFET, TEGFET... et leur région de canal est illuminée, au moins sur le transistor de mesure 7, par un flux lumineux #e guidé par une fibre optique (non représentée) centrée sur la métallisation de grille. LeE espacements entres les trois métallisations de source, grille et drain sont suffisants pour que les photons excitent la couche active des transistors, et y créent un courant entre source et drain directement proportionnel à la puissance optique reçue. Les transistors 7 et 8 sont toujours polarisés dans leurs zones linéaires de leurs caractéristiques IdS, VGS, ce qui leur communique l'avantage, par rapport aux photodiodes, de ne pas travailler avec une tension de seuil. Ils sont sensibles à de très faibles signaux lumineux, dès lors que la tension équivalente ramenée à l'entrée est hors bruit du transistor. Mais en outre les tensions appliquées sur les grilles sont réglables, soit directement soit par l'intermédiaire des résistances il et 12. Ceci permet - l'ajustement au cours de l'alignement des sources lumineuses sur les grilles des transistors ; les fibres optiques peuvent n'être pas parfaitement centrées sur les transistors, - le réglage du déséquilibre d'entrée naturel, ou offset, du comparateur, - le réglage du niveau de basculement du comparateur. Si on appelle ~e et ~ Ref les niveaux lumineux appliqués sur les transistors de mesure et de référence, on sait que ces flux lumineux produisent une variation des courants dans les transistors proportionnelle å des tensions équivalentes ramenées sur les entrées des transistors. Par conséquent, la tension de sortie VS en fonction des niveaux lumineux s'écrit Vs = A (#e - ~ Ref) dans laquelle A est une constante, qui tient compte de ce que la sortie est mesurée entre les connexions 9 et 10 ou entre une connexion 9 ou 10 et la masse. La tension de sortie Vs est directement proportionnelle å la différence entre les deux flux lumineux. Par affleurs, puisqu'un flux lumineux se traduit dans un transistor par un courant, le transistor de référence peut être maintenu à un niveau de basculement par seulement un signal électrique Ref appliqué sur sa grille. Ce signal électrique est équivalent å un flux lumineux ~ Ref, et le comparateur bascule selon que le flux ~e est supérieur ou inférieur au seuil fixé par le seul signal électrique Ref. Enfin, puisque le détecteur optique est un transistor, monté en différentiel, on peut mettre à profit le gain du montage différentiel pour amplifier les signaux reçus. Le circuit selon l'invention peut donc fonctionner soit en comparateur de lumière, soit en amplificateur opérationnel, soit en amplificateur différentiel. le circuit de traitement de signaux lumineux selon l'invention peut être réalisé - soit sous forme de circuit intégré, par exemple en GaAs, - soit sous forme hybride, les deux transistors 7 et 8 en GaAs et le circuit des sources de courants en silicium étant rapportés sur un substrat en alumine. REVENDICATIONS 1 - Circuit électronique de traitement de signaux lumineux, pour la transformation d'un -signal lumineux en un signal électrique, caractérisé en ce que l'élément de détection et de quantification de la lumière, et d'amplification d'un courant correspondant est constitué par un transistor å effet de champ (7) réalisé en matériaux du groupe III-V, tels que GaAs, GaAlAs, InP, et leurs alliages binaires, ternaires et quaternaires, le signal lumineux (#e) étant appliqué sur la région de grille du dit transistor (7). 2 - Circuit électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une tension de polarisation électrique (E) est en outre appliquée sur la métallisation de grille du dit transistor (7), cette tension (E) étant fixée, de sorte que celui-ci fonctionne dans sa- région linéaire, sans seuil de détection. 3 - Circuit électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second transistor à effet de champ (8), monté en différentiel avec le premier transistor (7), ce second transistor (8), fonctionnant comme transistor de référence, étant polarisé sur sa grille par une seconde tension de polarisation électrique (Ref). 4 - Circuit électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le second transistor (8) étant également réalisé en matériaux du groupe III-V tel que GaAs, une polarisation lumineuse (~ Ref), ajoutée à la polarisation électrique (Ref), est appliquée sur la région de grille du dit second transistor (8). 5 - Circuit électronique ~ selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tensions de polarisations électriques (E et Ref), réglables, permettent le réglage du déséquilibre d'entrée du circuit, et l'ajustement du niveau de basculement du circuit. 6 - Circuit électronique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il constitue un comparateur de lumière. 7 - Circuit électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un amplificateur, de gain égal au gain du montage différentiel (7). 8 - Circuit électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal électrique de sortie (V5) est directement proportionnel au flux lumineux (#e) reçu par le transistor (7) détecteur de lumière. 9 - Circuit électronique selon l'une quelconque des revendications l å 8, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme de circuit intégré.