Brevet FR2679703A1 — publié le 19930129

DISPOSITIF HYPERFREQUENCE A SEMICONDUCTEUR ET A COMMANDE OPTIQUE Domaine technique La présente invention a pour objet un dispo- sitif hyperfréquence à semiconducteur et à commande optique Par "dispositif hyperfréquence", on entend un dispositif qui est apte à agir sur L'une des propriétés d'une onde électromagnétique dont La fréquence est située dans La gamme des hyperfréquences, par exemple son amp Litude ou sa polarisation ou sa direction, etc Selon La propriété sur laquel Le on agit, Le dispositif de L'invention peut être un absorbeur (ou, en d'autres termes, un moyen15 antiréf Léchissant), un po Lariseur, un réseau de diffraction, etc Bien que Le dispositif de L'invention puisse présenter des formes diverses (planes, courbes, pyrami- da Les, etc), le plus souvent il présente la forme d'un écran plat On parlera donc, dans la suite, et pour simplifier, d'écran hyperfréquence. Etat de La technique antérieure On connaît des écrans hyperfréquence compre- nant, comme illustré sur La figure 1 annexée, une plaque conductrice 10, avec, disposée en regard de cette plaque et à une distance d, une couche mince 12 de résistivité surfacique proche de 377 Ohms par carré. Un tel écran est appelé souvent "écran de SALISBURY". Une onde électromagnétique OEM, de Longueur d'onde A= 4 d, dirigée perpendiculairement à l'écran, est complètement absorbée par ce Lui- ci IL s'agit donc d'un écran antiréfléchissant. D'autres écrans antiréfléchissants sont connus, qui utilisent des matériaux conducteurs et/ou magnétiques dispersés dans une matrice isolante (caout- chouc chargé avec du noir de carbone, particules de fer, etc). Enfin, on connaît des écrans constitués de motifs conducteurs, tels que des fils conducteurs parallèles qui forment des polariseurs.10 Des dispositifs de ce genre sont décrits dans L'ouvrage de George T RUCK et a L intitulé "RADAR CROSS SECTION HANDBOOCK", Plenum Press 1970 ainsi que dans un article de P HARTMANN et al intitulé15 "Absorbants d'onde électromagnétiques" publié dans la revue technique de THOMSON-CSF, 1987, vol 19, n 3-4. En ce qui concerne plus particulièrement les écrans de SALISBURY, ils sont décrits dans la première référence au paragraphe 8 3 2 1 1 1 du volume 2 et dans la seconde, paragraphe 5 1. Exposé de L'invention Si ces dispositifs sont satisfaisants à certains égards, ils présentent tous néanmoins l'incon- vénient de ne pas pouvoir être commandés à volonté pour présenter ou non une aptitude à agir sur une onde électromagnétique Par ailleurs, ils sont généra- lement conçus pour travailler à une seule longueur d'onde En un mot, ils sont permanents. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un disposi- tif qui peut être rendu actif ou inactif, ou bien être adapté en fonction de La Longueur d'onde à Laque L- Le on souhaite travai L Ler A cette fin, Le dispositif de L'invention comprend: au moins une couche de matériau semiconduc- teur présentant une conductivité sensible à une excitation optique, cette conductivi- té étant quasi-nu L Le en L'absence d'excita- tion optique et présentant une certaine va Leur en présence d'excitation optique, des moyens optiques aptes à exciter optiquement au moins certaines parties de cette couche pour donner à ces parties une conductivité égale à Ladite valeur, des moyens de commande des moyens optiques pour rendre Le dispositif hyperfréquence actif. Sans que La portée de L'invention ne soit en rien Limitée par Les explications scientifiques qui suivent, on peut dire que l'invention utilise la propriété que présentent certains semiconducteurs de voir Leur conductivité (ou, ce qui revient au même, Leur résistivité) changer sous excitation optique. Un semiconducteur, dont La bande interdite a une Lar- geur Eg et qui est excité par un rayonnement optique d'énergie supérieure à Eg, est en général Le siège d'une absorption photonique engendrant des paires éLectrons-trous Les électrons photocréés (ainsi que Les trous, mais dans une mesure moindre, car Leur mobi Lité est beaucoup p Lus faible) participent à La conductivité du semiconducteur. L'augmentation de conductivité qui résulte de L'excitation optique est proportionne L Le à La puis- sance optique de L'excitation, à La mobi Lité des éLec- trons et à La durée de vie des paires photocréées. En l'absence d'excitation optique, la conduc- tivité du semi-conducteur dépend de La nature et de la concentration des impuretés qu'il contient (dopage). IL convient de choisir un niveau de dopage suffisamment faible pour que le semiconducteur présente une très faible conductivité (autrement dit, une très grande résistivité) Sous excitation optique convenable, sa conductivité augmente (sa résistivité diminue). On peut par exemple, atteindre une résistivité de 377 Ohms par carré (ou en d'autres termes, une conduc- tivité de 1/377 Ohm-1 ou 1/377 S, correspondant à l'impédance du vide), ce qui rend la couche semiconduc- trice apte à constituer l'un des moyens absorbants des écrans hyperfréquence connus. Dans le cas du silicium par exemple, la largeur de bande interdite est de 1,1 e V Le rayonnement d'excitation peut être obtenu au moyen d'un laser à arséniure de gallium (As Ga), qui émet des photons d'énergie 1,4 e V, donc supérieure à la bande interdite du silicium. Une plaquette de silicium suffisamment pur (résistivité supérieure à 2500 J-r L cm), d'épaisseur Vm présente une conductivité surfacique inférieure à 1/106 S La mobilité des électrons dans le silicium est de 1500 cm 2/V/s et la durée de vie des paires peut atteindre 2,5 ms La profondeur de pénétration du rayonnement délivré par le laser As Ga est de 10 ?m. On peut alors calculer que, pour une densité d'excita- tion optique de l'ordre de 1,6 m W/cm 2, la conductivité passe à 1/377 S ce qui est la valeur recherchée généra- lement dans le cas des écrans de SALISBURY Avec un Watt de puissance optique, on peut exciter une plaquet- te de 700 cm 2. L'exemple du silicium n'est naturellement pas limitatif L'homme de l'art trouvera dans les ouvrages spécialisés toutes les propriétés des semi- conducteurs qui permettent de décider si un semiconduc- teur est utilisable dans l'invention ou non et sous quel Le excitation optique On pourra consulter à cet égard, par exemple, l'ouvrage de S M SZE intitu Lé "Physics of Semiconductor Devices", édité par John WILEY and SONS. Ce qui compte avant tout dans le choix du matériau semiconducteur c'est le produit de la mobilité des électrons par la durée de vie des couples élec- tron-trou Pour certains semiconducteurs, ce produit est manifestement trop faible et ces semiconducteurs doivent ôtre écartés Par exemple, pour le silicium amorphe hydrogéné (a:Si-H), ce produit vaut environ 10-5 cm 2/V, ce qui est beaucoup trop faible pour pouvoir espérer obtenir une conductivité de 1/377 S Les composés binaires de type III-V présentent des mobili- tés beaucoup plus élevées (de l'ordre de 104 cm 2/V/s) et peuvent convenir, si les temps de vie sont satisfai- sants Pour le Ga As cependant, ce temps de vie n'est que de 10-8 S ce qui est un peu faible Mais pour d'au- tres composés III-V, des phénomènes de photoconduc- tivité persistante sont possibles ce qui les rend mieux adaptés à la mise en oeuvre de l'invention. Brève description des dessins la figure 1, déjà décrite, représente un écran de type SALISBURY selon l'art antérieur, la figure 2 représente un écran de type SALISBURY conforme à l'invention à une seule couche semiconductrice et à fibres optiques, la figure 3 représente un écran de type SALISBURY conforme à l'invention à plu- sieurs couches semiconductrices et à fibres optiques, la figure 4 montre l'extrémité d'une fibre optique pouvant être utilisée selon l'invention, la figure 5 montre un autre mode de réali- sation des moyens optiques d'excitation, la figure 6 montre encore un autre mode de réalisation des moyens optiques d'exci- tation, la figure 7 montre un dispositif du type écran absorbeur à matériau composite et à semiconducteur, la figure 8 montre un dispositif de type écran à double réseau. Exposé détaillé de modes de réalisation On voit, sur la figure 2, un écran de type SALISBURY comprenant une plaque conductrice 20 et, en regard de cette plaque et à une distance d, une couche 22 de matériau semiconducteur Cette couche peut être excitée optiquement à l'aide de moyens qui, dans la variante illustrée, comprennent des fibres optiques 24 et 26 alimentées par un laser 30 à travers une optique 32 Le Laser est commandé par un circuit d'alimentation 34. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Lorsque le circuit d'alimentation 34 est hors service, le semiconducteur 22 présente une conduc- tivité quasi-nulle et, de ce fait, est transparent aux hyperfréquences L'ensemble se comporte alors comme un simple écran métallique réfléchissant, du fait de la plaque 20, La couche 22 et les fibres 24, 26 ne jouant aucun rôle. Lorsque le circuit d'alimentation 34 est mis en service, le Laser 30 émet un rayonnement lumi- neux qui est dirigé par l'optique 32 dans les fibres 24 et 26 L'extrémité de ces fibres diffuse la lumière (comme on le comprendra mieux en liaison avec la figure 4) dans la couche 22 (sur les deux faces de celle-ci dans la variante illustrée, mais une seule face pour- rait suffire) Le semiconducteur présente alors une conductivité plus éLevée, qui peut être proche de 1/377 S On retrouve alors un écran de type SALIS- BURY, c'est-à-dire un écran absorbant les ondes électromagnétiques hyperfréquences ayant une incidence normale et dont la longueur d'onde est égale à quatre fois la distance d La différence avec l'art antérieur est que, selon l'invention, cet écran absorbeur est commutable. On observera que les fibres optiques 22, 24, qui entourent La couche semiconductrice 22, ne perturbent en rien L'onde hyperfréquence OEM, car, étant généralement en verre ou en silice, elles se comportent vis-à-vis de cette onde comme des diéLectri- ques. L'interva L Le entre la plaque conductrice et la plaque 22 de matériau semiconducteur peut être comb Lé par un matériau diélectrique d'indice n, jouant le râle d'espaceur La longueur d'onde pour laquelle L'écran est réfléchissant est égale alors à 4nd. La figure 3 montre un écran de type SALISBURY à trois couches semiconductrices 22/1, 22/2, 22/3 placées respectivement à des distances dl, d 2, d 3 de la plaque conductrice 20 Des lasers 30/1, 30/2, /3 permettent d'exciter séparément chacune de ces couches Un circuit d'alimentation commun 34 est relié aux Lasers par un moyen de commutation 35 qui permet d'alimenter l'un ou l'autre des lasers. Celle des couches semiconductrices qui est excitée définit la longueur d'onde (X 1, > 2, > 3) pour laquelle il y aura absorption Cette longueur d'onde sera égale à quatre fois la distance (dl, d 2 ou d 3) séparant la couche semiconductrice excitée de la plaque conductrice 20. On a donc, selon l'invention, un écran absor- beur qui est non seulement commutable mais qui est à longueur d'onde variable. Naturellement, le nombre de couches semiconductrices peut être quelconque et n'est pas limité à 3. Par ailleurs, si les couches employées sont juxtaposées on peut obtenir un ajustement très fin de la longueur d'onde absorbée. La figure 4 montre un détail d'une extrémité de fibre optique pouvant être employée dans l'inven- tion La fibre comprend un coeur 40 et une gaine 42 Cette gaine peut être partiellement enlevée à l'extrémité de la fibre, pour ménager une ouverture dirigée du côté de la couche semiconductrice à éclai- rer. La disposition des fibres qui vient d'être décrite n'est pas la seule possible On peut également disposer les fibres comme illustré sur la figure 5, o le laser porte encore la référence 30 et les fibres la référence 25 A la différence des fibres 24 et 26 de la figure 2, qui travaillaient en quelque sorte longitudinalement, les fibres 25 de la figure 5 travaillent tranversalement L'excitation optique s'obtient en bout de fibre, l'extrémité de celle-ci étant perpendiculaire au plan de la couche semiconductrice On peut envisager de placer un petit système à lentille devant chaque extrémité de fibre. Naturellement, le système à fibres n'est pas Le seul moyen susceptible d'exciter optiquement une couche semiconductrice On voit, ainsi, sur la figure 6, un laser 30 qui illumine directement la couche semiconductrice-22. Les figures précédentes se rapportent toutes à des dispositifs du type écran de SALISBURY La figure 7 montre un dispositif d'un autre type Il s'agit d'un absorbeur à matériau composite 40 Ce matériau peut être déposé sur un support 42 A ce matériau composite est ajouté un matériau semiconducteur Des fibres optiques 44 sont réparties dans l'ensemble et sont alimentées par un laser 46. Dans l'art antérieur, un tel dispositif n'est antiréfléchissant que pour une polarisation bien particulière du rayonnement incident et seulement pour une incidence bien définie à une fréquence bien définie Avec le dispositif de l'invention, et grâce au semiconducteur dispersé dans le matériau, il est possible, par variation de l'excitation optique, de modifier l'angle d'incidence ou bien la fréquence pour lequel l'absorption est maximale. Les matériaux pouvant être utilisés sont le caoutchouc mélangé au noir de carbone ou le caout- chouc avec des particules magnétiques (fer ou ferrite par exemple) On y ajoutera un semiconducteur comme Le silicium par exemple. La figure 8, enfin, montre un polariseur à grilles commutable Ce dispositif comprend une couche 50 de matériau semiconducteur, une première famille de fibres optiques 52 alimentées par un premier laser 54, une seconde famille de fibres optiques 56 alimentées par un second Laser 58 Les fibres 52 illuminent la couche 50 par la face arrière le long d'une première famille de bandes parallèles équidistantes 53 tandis que la seconde famille 56 illumine la face avant le long d'une seconde famille de bandes parallèles équidistantes 57 Les premières et les secondes bandes sont orthogonales entre elles. Le principe du polariseur à grille est bien connu, et largement utilisé pour polariser des ondes qui vont de l'infrarouge aux hyperfréquences Une gril Le très conductrice (devant 377 S), dont l'espace- ment est petit devant la longueur d'onde, réfléchit la polarisation pour laquelle le champ électrique est parallèLe à la grille, et transmet l'autre polari- sation. En illuminant l'une ou l'autre des familles de grilles, on peut sélectionner l'une ou l'autre des polarisations; on peut ainsi moduler la polarisa- tion de l'onde en l'absence de tout composant mobile. Plutôt que d'exciter des bandes 57, 53 dans une même couche semiconductrice, on peut utiliser des bandes semi-conductrices séparées. Il va de soi qu'un réseau simple peut être obtenu en n'utilisant qu'une seule famille de fibres optiques pour n'obtenir qu'un seul réseau de bandes conductrices et une seule grille. Suivant la figure 8, si la Longueur d'onde est de l'ordre de la distance entre les bandes excita- bles, on réalise un réseau de diffraction commandable capable de diffracter l'onde lorsqu'il est excité. 1 1 On peut aussi changer le pas du réseau en excitant non pas toutes les bandes 57, mais une sur deux, ou bien une sur trois par exemple On peut aussi réaliser un double réseau de diffraction commandable, obtenu5 par répétition d'un motif de semi- conducteur excitable optiquement dans deux directions de l'espace. La source de lumière utilisée dans L'inven- tion n'est pas nécessairement un laser à semiconduc- teur Ce La peut être un Laser à gaz par exemple,10 ou une source incohérente. REVENDICATIONS 1 Dispositif hyperfréquence apte à agir sur l'une des propriétés d'une onde électromagnétique hyperfréquence dirigée sur ce dispositif, caractérisé par le fait qu'il comprend: au moins une couche de matériau semiconduc- teur ( 33, 40, 50) présentant une conductivité sensible à une excitation optique, cette conductivité étant quasi-nulle en l'absence d'excitation optique et présentant une certaine valeur en présence d'excitation optique, des moyens optiques ( 30, 32, 24, 26, 30, 54, 58) aptes à exciter optiquement au moins certaines parties de cette couche pour donner à ces parties une conductivité égale à ladite valeur, des moyens ( 34, 35) de commande des moyens optiques pour rendre le dispositif hyper- fréquence actif. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un écran conducteur ( 20) et, placée devant cet écran et à une certaine distance (d) de celui-ci, Ladite couche de matériau semiconducteur ( 22), Le dispositif agissant alors comme absorbeur pour une longueur d'onde égale à quatre fois La distance (d) séparant l'écran et la couche. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un écran conduc- teur ( 20) et, placée devant cet écran à des distances croissantes (dl, d 2, d 3,) une pluralité de couches de matériau semiconducteur ( 22/1, 22/2, 22/3), les moyens d'excitation optique ( 24/1, 24/2, 24/3, 30/1, /2, 30/3) étant aptes à exciter optiquement l'une quelconque de ces couches ( 22/1, 22/2, 22/3), le dispo- sitif étant alors absorbeur pour l'une quelconque des longueurs d'onde (C 1, ? 2, > 3,) égales à quatre fois la distance séparant les diverses couches semi- conductrices de l'écran conducteur ( 41 = 4 d 1, -\ 2 = 4 d 2, À 3 = 4 d 3,). 4 Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que La résistivité du matériau semiconducteur ( 22, 22/1, 22/2, 22/3) sous excitation optique est proche de 377 Ohms par carré. 5 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de matériau composite antiréfléchissant ( 40) mélangé audit matériau semiconducteur, le dispositif agissant alors comme absorbeur. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens optiques ( 52, 54, 56, 58) sont aptes à exciter la couche de matériau semiconducteur le long de bandes parallèLes équidistan- tes, le dispositif agissant alors comme polariseur. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que Les moyens optiques ( 52, 54) ( 56, 58) sont aptes à exciter la couche de matériau semiconducteur le long de deux familles de bandes parallèLes ( 53, 57) équidistantes, Les bandes d'une des familles ( 53) étant perpendiculaires aux bandes ( 57) de l'autre, le dispositif agissant alors comme un polariseur. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les bandes parallèles sont distantes les unes des autres d'un intervalle faible devant la longueur d'onde, le dispositif étant alors un polariseur à grille. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les bandes parallèles sont distantes les unes des autres d'un intervalle de l'ordre de la longueur d'onde, le dispositif étant un double réseau de diffraction. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les moyens optiques ( 46) comprennent une source de lumière ( 30, 30/1, 30/2, 30/3, 54, 58) et des fibres optiques ( 24, 25, 26, 24/1, 24/2, 24/3, 25, 44) guidant la lumière d'excitation entre cette source et la couche de matériau semiconducteur ( 22, 22/1, 22/2, 22/3, 40, 50). 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les fibres optiques ont une extrémité parallèle à la couche de matériau semi- conducteur, et accolé à celle-ci. 12 Dispositif se Lon la revendication 10, caractérisé par le fait que la source de lumière est un laser ( 30, 30/1, 30/2, 30/3). 13 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le Laser est un laser à semiconducteur. 14 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par Le fait que Le matériau semiconducteur ( 22, 22/1, 22/2, 22/3, 40) est Le si Licium. 15 Dispositif selon Les revendications 13 et 14, caractérisé par le fait que le laser ( 30, /1, 30/2, 30/3) est un laser à Ga As.