Brevet FR2717630A1 — publié le 19950922

La présente invention concerne un circuit de commande de diode laser, et plus particulièrement un circuit de commande de diode laser de grande puissance utilisant un composant à semiconducteur monolithique capable de générer la grande puissance de crête, la haute fréquence de récurrence des impulsions (PRF), des impulsions laser d'une largeur d'impulsion de quelques nanosecondes et d'étendre de manière significative les propriétés du circuit de commande de diode. Description de l'art antérieur Nous avons déjà proposé un circuit de commande de diode laser pulsée, compact, à haute PRF, de grande puissance dans la demande de brevet coréen n 94-2144 déposée. Ce circuit de commande recourt à l'utilisation de la ligne triplaque d'impédance non uniforme comme condensateur accumulateur d'énergie et d'un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement comme interrupteur de grande puissance. Une telle utilisation donne un circuit de commande de diode laser très efficace, extrêmement compact et très capable. Dans ce dispositif, la largeur d'impulsion de sortie des diodes laser de grande puissance est déterminée par le temps de transit d'une onde dans les deux sens dans le moyen accumulateur d'énergie, à savoir, la ligne triplaque d'impédance non uniforme. Dans une condition idéale de fonctionnement, la largeur d'impulsion de sortie des diodes laser de grande puissance est environ le temps de transit d'une onde dans les deux sens dans le moyen accumulateur d'énergie. En conséquence, au fur et à mesure que moyen accumulateur d'énergie devient plus petit, la largeur d'impulsion de sortie de la lumière laser raccourcit. Pour la génération de la grande puissance de crête, de la haute PRF, des impulsions laser d'une largeur d'impulsion de quelques nanosecondes, l'utilisation de la structure de ligne triplaque d'impédance non uniforme comme condensateur accumulateur d'énergie et d'un interrupteur actionné optiquement comme interrupteur à grande puissance est très efficace. Toutefois, pour des raisons pratiques telles que sécurité des yeux, distance effective, précision et les transmissions de données à grande vitesse, il est fortement souhaitable de produire des impulsions laser de grande puissance de crête ayant la plus petite largeur d'impulsion possible. En conséquence, pour la génération de la lumière laser de grande puissance à largeur d'impulsion étroite, il faut réduire la longueur physique du moyen accumulateur d'énergie. Mais quand la longueur physique du moyen accumulateur d'énergie devient très petite, les effets d'inductance parasite et de capacité parasite sur les performances du circuit deviennent très sérieux. En conséquence, il y aura une sévère dégradation des temps de montée et de descente de l'impulsion ainsi que de l'amplitude de l'impulsion. Ainsi, la simple réduction de la longueur physique du moyen accumulateur d'énergie peut ne pas produire d'impulsions de - 2 - courant élevées d'une largeur d'impulsion inférieure à quelques nanosecondes. L'inductance parasite ainsi que la capacité parasite au niveau des interconnexions doivent être minimisées. RESUME DE L'INVENTION En conséquence, un objet de l'invention est de fournir un circuit de commande de diode laser de grande puissance utilisant un composant à semiconducteur monolithique capable d'éliminer la résistance parasite et la capacité parasite au niveau des interconnexions entre un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement, générant ainsi des impulsions de sortie de laser de grande puissance d'une largeur de puissance ultra étroite, au temps de montée rapide et au temps de descente rapide à une PRF élevée et étendant de façon significative les propriétés du circuit de commande de diode. Conformément à la présente invention, cet objet ne peut être accompli qu'en fournissant un circuit de commande de diode laser de grande puissance utilisant un composant à semiconducteur monolithique consistant en un moyen accumulateur d'énergie pour y accumuler de l'énergie électrique et un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement pour convertir une énergie électrostatique à charge capacitive en une impulsion de courant élevée quand il est actionné par de la lumière reçue d'un moyen de source et de commande de lumière de déclenchement, ledit moyen accumulateur d'énergie et ledit interrupteur à semiconducteur étant tous deux intégrés sur un même substrat semiconducteur. - 3 - BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les autres objets et aspects de l'invention apparaîtront à partir de la description suivante des modes de réalisation considérée en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: la Figure 1 est un schéma de principe d'un circuit de commande de diode laser conformément à la présente invention; les Figures 2a et 2b illustrent un composant à semiconducteur monolithique actionné optiquement consistant en un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur vertical actionné optiquement conformément à la présente invention, dans lesquelles la Figure 2a est une vue en plan du composant à semiconducteur monolithique, et la Figure 2b est une vue en coupe transversale le long de l'axe A-A de la Figure 2a; les Figures 3a et 3b illustrent un autre composant à semiconducteur monolithique actionné optiquement consistant en un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur latéral actionné optiquement conformément à la présente invention, dans lesquelles la Figure 3a est une vue en plan du composant à semiconducteur monolithique, et la Figure 3b est une vue en coupe transversale le long de l'axe A-A de la Figure 3a; et les Figures 4a à 4c sont des dessins de formes d'ondes illustrant respectivement les séquences graphiques du flot d'énergie du circuit de commande de diode conformément à la - 4 - présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES La Figure 1 est un schéma de principe d'un circuit de commande de diode laser pulsée, de grande puissance auquel s'applique la présente invention. Comme le montre la Figure 1, le circuit de commande de diode laser pulsée comprend un organe de commande 100, un organe de conditionnement d'alimentation électrique et de charge d'impulsions 200, un organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300, un organe à semiconducteur monolithique actionné optiquement 400, et un réseau laser de grande puissance 500. L'organe de commande 100 commande un signal introduit par un étage d'entrée et envoie le signal commandé à l'organe de conditionnement d'alimentation électrique et de charge d'impulsions 200. L'organe de commande 100 applique aussi un signal à l'organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300. L'organe de conditionnement d'alimentation électrique et de charge d'impulsions 200 conditionne l'énergie électrique principale provenant soit de la ligne d'alimentation CA soit de la batterie avec le signal provenant de l'organe de commande 100 et envoie ensuite une certaine énergie à l'organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300. L'organe de conditionnement d'alimentation électrique et de charge d'impulsions 200 envoie aussi une certaine énergie à l'organe à semiconducteur monolithique actionné optiquement 400. -5 - L'organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300 sert à déclencher l'énergie électrique principale reçue de l'organe de conditionnement d'alimentation électrique et de charge d'impulsions 200 et ainsi à produire une lumière laser optique de faible ou moyenne puissance au niveau de l'organe à semiconducteur monolithique 400. L'organe à semiconducteur monolithique 400 consiste en un moyen accumulateur d'énergie pour y accumuler de l'énergie électrique et un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement pour convertir l'énergie électrostatique à charge capacitive en l'impulsion de courant élevée lorsqu'il est actionné par la lumière laser reçue de l'organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300. Les fonctions du moyen accumulateur d'énergie et de l'interrupteur à semiconducteur sont intégrés sur un même substrat semiconducteur. Le réseau laser de grande puissance 500 produit l'impulsion de courant élevée convertie dans l'organe à semiconducteur monolithique actionné optiquement 400 sous la forme d'une impulsion optique de grande puissance. Par un signal de l'organe de commande 100, l'énergie électrique principale, provenant soit du secteur CA soit de la batterie, est conditionnée puis utilisée pour charger capacitivement le moyen accumulateur d'énergie, tel un condensateur, du composant à semiconducteur monolithique 400. Quand la lumière optique provenant de l'organe de source et de commande optique [sic] de déclenchement 300 est introduite dans le interrupteur actionné optiquement, l'énergie électrostatique à charge capacitive est convertie en l'impulsion de courant - 6 - élevée devant être envoyée au réseau laser de grande puissance 500. De ce fait, le réseau laser de grande puissance 500 produit l'impulsion optique de grande puissance. Aux Figures 2a à 3b, des composants à semiconducteur monolithiques actionnés optiquement conformément à la présente invention sont illustrés. D'autre part, les Figures 4a à 4c sont des dessins de formes d'ondes illustrant respectivement les séquences graphiques du flot d'énergie du circuit de commande de diode laser conformément à la présente invention. Conformément à la présente invention, le circuit de commande de laser pulsé utilise les composants à semiconducteur monolithiques, montrés respectivement aux Figures 2a et 2b, et aux Figures 3a et 3b, dans lesquelles ils combinent les fonctions du condensateur accumulateur d'énergie et de l'interrupteur actionné optiquement sur un même substrat semiconducteur. Le composant monolithique actionné optiquement, montré aux Figures 2a et 2b, se compose d'un moyen accumulateur d'énergie et d'un interrupteur à semiconducteur vertical ayant une structure de ligne triplaque non uniforme en forme d'éventail ou une structure de ligne triplaque non uniforme en forme de ligne concentrique. En particulier, la structure de l'interrupteur vertical permet l'extension de la géométrie d'un composant monolithique incorporant une structure d'interrupteur vertical dans une forme circulaire complète. Entre temps, le composant monolithique actionné optiquement, montré aux Figures 3a et 3b, consiste en un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur latéral. Le moyen accumulateur d'énergie est créé par des électrodes - 7 - de métallisation des deux côtés du substrat semiconducteur. La structure du moyen accumulateur d'énergie, montré aux Figures 2b et 3b, est n-i-p. La capacité du condensateur accumulateur d'énergie monolithique peut être exprimée par l'équation suivante: C = E0 X ET x A/d, Farad(F) o E, est la permittivité du corps, úT est la constante diélectrique du diélectrique du corps, A est la surface de l'électrode, et d est l'épaisseur du composant, respectivement. La largeur d'impulsion laser de sortie attendue de ce composant monolithique peut être exprimée par l'équation suivante: PW = 2 x t = { 2 x É x L (cm)}/( 3 x 10s10 (cm/s)}, seconde(s) o t est le temps de transit d'une onde dans un sens dans le moyen accumulateur d'énergie et L est la longueur d'électrode entre les bords interne et externe du moyen accumulateur d'énergie. Les interrupteurs à semiconducteur déclenchés par la diode laser peuvent être soit un interrupteur n-i-p vertical, montré à la Figure 2b, soit un interrupteur n-i-p latéral, montré à la Figure 3b. Pour un composant à semiconducteur monolithique, actionné optiquement avec un interrupteur n-i-p vertical, l'impulsion - 8 - optique de déclenchement est introduite dans une zone active par un orifice ouvert sur la couche de type n. Toutefois, un composant à semiconducteur monolithique à interrupteur n-i-p latéral peut être actionné en éclairant l'interrupteur par le haut ou par le bas. L'action du circuit de commande commence par l'envoi de l'instruction de fonctionnement à l'organe de commande 100 qui déclenche la séquence d'actions. Tout d'abord l'organe de conditionnement d'alimentation électrique et de charge d'impulsions 200 est actionné. L'alimentation principale provenant soit du secteur CA soit d'une batterie est conditionnée et utilisée pour charger en impulsions le condensateur qui est le moyen accumulateur d'énergie de l'organe à semiconducteur monolithique actionné optiquement 400. Lorsque la tension de polarisation d'impulsion atteint la tension de crête, le circuit de commande de la diode laser de déclenchement de l'organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300 génère une impulsion optique de déclenchement à temps de montée rapide à très haute PRF. Ainsi l'impulsion optique de déclenchement générée est introduite dans l'interrupteur à semiconducteur de l'organe à semiconducteur monolithique 400. Une fois que la lumière optique de déclenchement a pénétré dans la zone active de l'interrupteur à semiconducteur, elle produit des nombres suffisants de paires d'électrons-trous générés par les photons de sorte que l'état de l'interrupteur change de l'état complètement ouvert (non conducteur) à l'état complètement fermé (conducteur). Avec l'actionnement de - 9 - l'interrupteur, l'énergie électrostatique accumulée dans l'organe à semiconducteur monolithique 400 devient une onde progressive qui est fournie au réseau laser de grande puissance 500 sous forme d'impulsion de courant élevée. Les événements séquentiels du flot d'énergie est [sic] donné aux Figures 4a, 4b et 4c. Ainsi que la description ci-dessus le fait apparaître, la présente invention fournit un circuit de commande de diode laser de grande puissance utilisant un composant à semiconducteur monolithique construit en intégrant un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement sur un même substrat semiconducteur. En utilisant un tel dispositif semiconducteur monolithique, le circuit de commande de diode de la présente invention peut éliminer la résistance parasite et la capacité parasite au niveau des interconnexions, contrairement au circuit employant des composants discrets. Le circuit de commande de diode est aussi capable de générer des impulsions de sortie de laser de grande puissance à largeur d'impulsion ultra étroite, temps de montée rapide et temps de descente rapide à une PRF élevée. En outre, en intégrant les fonctions du moyen accumulateur d'énergie et de l'interrupteur sur un même substrat semiconducteur, la capabilité du circuit de commande de diode est étendue de manière significative. En conséquence, un circuit de commande utilisant un composant à semiconducteur monolithique, actionné optiquement donne un circuit de commande de diode laser pulsée, très efficace, extrêmement compact et léger. Bien que les modes de réalisation de l'invention aient été décrits à des fins d'illustration, l'homme de métier appréciera - 10 - que diverses additions et substitutions sont possibles, sans s'écarter de l'étendue ni de l'esprit de l'invention telle que décrite dans les revendications ci-jointes. - 11 - REVENDICATIONS: 1. Circuit de commande de diode laser comprenant: un moyen de commande pour commander un signal de commande d'entrée; un moyen de conditionnement d'alimentation électrique et de charge d'impulsions pour recevoir ledit signal de commande commandé dans ledit moyen de commande et ainsi générer une énergie électrique; un moyen de source et de commande de lumière de déclenchement pour recevoir un signal de commande du moyen de commande et générer une lumière optique de déclenchement, de faible puissance; un moyen à semiconducteur monolithique actionné optiquement pour convertir l'énergie électrique à charge capacitive en une onde progressive puis en impulsion de courant élevée lorsqu'il est actionné optiquement par ladite lumière optique de déclenchement provenant dudit moyen de source et de commande de lumière de déclenchement; et un réseau laser de haute puissance pour convertir ladite impulsion de courant élevée reçue dudit moyen à semiconducteur monolithique actionné optiquement en une impulsion optique de haute puissance à produire. 2. Circuit de commande de diode laser conformément à la revendication 1, dans lequel ledit moyen à semiconducteur monolithique actionné optiquement comprend un moyen accumulateur d'énergie pour y accumuler de l'énergie électrique et un - 12 - interrupteur à semiconducteur actionné optiquement pour convertir une énergie électrostatique à charge capacitive en une impulsion de courant élevée lorsqu'il est actionné par ladite lumière reçue dudit moyen de source et de commande de lumière de déclenchement, ledit moyen accumulateur d'énergie et ledit interrupteur à semiconducteur étant tous deux intégrés sur un même substrat semiconducteur. 3. Circuit de commande de diode laser conformément à la revendication 1, dans lequel ledit moyen à semiconducteur monolithique actionné optiquement comprend un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur vertical actionné optiquement tous deux intégrés sur un même substrat semiconducteur. 4. Circuit de commande de diode laser conformément à la revendication 1, dans lequel ledit moyen à semiconducteur monolithique actionné optiquement comprend un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur latéral actionné optiquement tous deux intégrés sur un même substrat semiconducteur. 5. Circuit de commande de diode laser conformément à la revendication 1, dans lequel ledit moyen à semiconducteur monolithique actionné optiquement comprend un moyen accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur vertical actionné optiquement à structure de ligne triplaque non uniforme en forme d'éventail ou de ligne concentrique. - 13 - 6. Circuit de commande de diode laser conformément à la revendication 3, dans lequel ledit moyen accumulateur d'énergie comprend des électrodes de métallisation disposées des deux côtés dudit substrat semiconducteur pour former une structure n-i-p. 7. Circuit de commande de diode laser conformément à la revendication 3, dans lequel ladite structure n-i-p du moyen accumulateur d'énergie est d'un type vertical ou d'un type latéral.