Brevet FR2720859A1 — publié le 19951208

-1- CIRCUIT DE COMMANDE DE DIODE LASER DE GRANDE PUISSANCE UTILISANT UN COMPOSANT A SEMICONDUCTEUR MONOLITHIQUE A INTERRUPTEUR A STRUCTURE DE TYPE THYRISTOR ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne un circuit de commande de diode laser, et plus particulièrement un circuit de commande de diode laser utilisant un composant à semiconducteur monolithique à interrupteur à structure de type thyristor. Description de l'art antérieur On a déjà proposé un circuit de commande de diode laser pulsée, compact, à haute fréquence de récurrence des impulsions (PRF), de grande puissance, utilisant un composant à semiconducteur monolithique dans la demande de brevet coréen n 94-5497 déposée. Un tel composant à semiconducteur monolithique, dans lequel le condensateur accumulateur d'énergie et l'interrupteur à semiconducteur actionné optiquement sont intégrés sur un même substrat de plaquette de semiconducteur de haute résistance, sert à minimiser les effets de l'inductance parasite et de la capacité parasite. Le résultat est un circuit de commande de laser pulsé, de grande puissance capable de temps rapides de déblocage et de blocage et d'une haute PRF. Dans des conditions idéales de fonctionnement, la largeur d'impulsion de laser de sortie est déterminée par le temps de transit d'une onde dans les deux sens dans la ligne triplaque -2- d'impédance non uniforme accumulatrice d'énergie. En outre, la ligne triplaque d'impédance non uniforme induit un gain de courant. En conséquence, l'utilisation de la structure de ligne triplaque d'impédance non uniforme comme condensateur accumulateur d'énergie et d'interrupteurs à semiconducteur actionnés optiquement comme interrupteur est un moyen très efficace de génération des impulsions laser à haute puissance maximale, haute PRF et largeur d'impulsion extrêmement étroite. Toutefois, le fonctionnement de ce dispositif dépend d'un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement, dans lequel une énergie optique de déclenchement est requise pour débloquer l'interrupteur. En général, au fur et à mesure que la capacité de puissance de l'interrupteur actionné optiquement ordinaire augmente, le niveau d'énergie optique de déclenchement requise augmente rapidement. De ce fait, la capacité et la performance du circuit de commande de laser de déclenchement, dépendant du dispositif actionné optiquement, se dégradent rapidement. RESUME DE L'INVENTION En conséquence, un objet de l'invention est de fournir un circuit de commande de diode laser pulsée, de grande puissance utilisant un composant à semiconducteur monolithique à interrupteur à structure de type thyristor, capable d'une haute fiabilité, d'un rendement élevé et d'une haute PRF. Conformément à la présente invention, cet objet peut être accompli en fournissant un circuit de commande de diode laser comprenant un condensateur accumulateur d'énergie et un -3- interrupteur à semiconducteur actionné optiquement intégrés sur un même substrat, dans lequel l'interrupteur à semiconducteur actionné optiquement a une structure de type thyristor. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'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 milieu 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 2c et 2d illustrent un autre composant à semiconducteur monolithique actionné optiquement consistant en un milieu accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur latéral actionné optiquement conformément à la présente invention, dans lesquelles la Figure 2c est une vue en plan du composant à semiconducteur monolithique, et la Figure 2d est une vue en coupe transversale le long -4- de l'axe A-A de la Figure 2c; les Figures 3a à 3c illustrent l'interrupteur à semiconducteur du composant à semiconducteur monolithique actionné optiquement conformément à la présente invention, dans lesquelles la Figure 3a est une vue en plan de l'interrupteur à semiconducteur ayant une structure p±n--i-p-n+, la Figure 3b est un diagramme de bande d'énergie de l'interrupteur à semiconducteur en condition d'équilibre, et la Figure 3c est un diagramme de bande d'énergie de l'interrupteur à semiconducteur en condition de polarisation directe; et les Figures 4a à 4c sont des dessins de formes d'ondes illustrant respectivement les séquences graphiques du flux d'énergie du circuit de commande de diode laser conformément à la 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. - 5 - 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 d'une ligne d'alimentation CA soit d'une batterie avec le signal provenant de l'organe de commande 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. 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 milieu accumulateur d'énergie pour y accumuler de l'énergie électrique et un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement pour convertir l'énergie électrostatique chargée capacitivement en impulsion de courant élevée lorsqu'il est débloqué par la lumière laser reçue de l'organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300. Le milieu accumulateur -6- d'énergie et l'interrupteur à semiconducteur sont intégrés sur un même substrat semiconducteur. L'interrupteur à semiconducteur actionné optiquement est constitué par un interrupteur p'-n-i-p- n+ à structure de type thyristor. Cet interrupteur sert à convertir l'énergie électrostatique chargée capacitivement en impulsion de courant élevée tout en effectuant son opération de commutation par la lumière laser reçue de l'organe de source et de commande de lumière de déclenchement 300. 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 d'une ligne d'alimentation CA soit d'une batterie, est conditionnée puis utilisée pour charger capacitivement le milieu 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 de déclenchement 300 est introduite dans l'interrupteur actionné optiquement, l'énergie électrostatique chargée capacitivement est convertie en impulsion de courant 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. Conformément à la présente invention, le circuit de commande de diode laser pulsée emploie des composants à semiconducteur monolithiques, représentés respectivement aux figures 2a et 2b, et aux figures 2c et 2d, o ils combinent les fonctions du condensateur accumulateur d'énergie et de l'interrupteur actionné optiquement sur un même substrat semiconducteur. Chacun des composants à semiconducteur monolithiques comporte une impédance adaptée séparée qui est ensuite connectée au réseau laser de grande puissance 500. Le composant monolithique actionné optiquement consiste en un milieu accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur vertical ayant une structure de ligne triplaque non uniforme en forme d'éventail représentée aux figures 2a et 2b ou une structure de ligne triplaque non uniforme en forme de ligne concentrique représentée aux figures 2c et 2d. 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. Le condensateur accumulateur d'énergie est fabriqué en métallisant des électrodes 2 sur les deux côtés du substrat semiconducteur 1. Le condensateur accumulateur d'énergie a une structure n-i-p. La capacité du condensateur accumulateur d'énergie monolithique et l'énergie électrostatique accumulée dans ce condensateur sont données comme suit: C = Eo x eó x A/d, Farads(F) E + C x V2/2, Joules (J) o Eo est la permittivité du corps, ET est la constante diélectrique du corps diélectrique, A est la surface de - 8 - l'électrode, d est l'épaisseur du composant, et V est la tension de polarisation d'impulsion, 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 x L (cm)I/{ 3 x 10l1 (cm/s)}, (s) o t est le temps de transit d'une onde dans les deux sens dans le milieu accumulateur d'énergie et L est la longueur d'électrode entre les bords interne et externe du milieu accumulateur d'énergie. La figure 3a montre l'interrupteur à semiconducteur du type thyristor du composant à semiconducteur monolithique conformément à la présente invention. L'interrupteur à semiconducteur a une structure p±n-i-p-n+. Le diagramme de bande d'énergie de l'interrupteur à semiconducteur de type thyristor en condition d'équilibre est donné à la figure 3b. Par contre, la figure 3c représente le diagramme de bande d'énergie de l'interrupteur à semiconducteur de type thyristor en condition normale de fonctionnement en polarisation directe. Comme le montre la figure 3c, dans la condition normale de fonctionnement en polarisation directe, les jonctions Jl, créées par les couches pl+ et nl fortement dopées, et J3, créées par les couches p2 et n2+ fortement dopées, deviennent des jonctions p-n à polarisation directe. Ainsi, la plupart de la tension de polarisation chute aux bornes de la diode n-i-p centrale. En conséquence, durant la période de polarisation d'impulsion, la zone, nl-i-p2 (diode n-i-p) sert de diode de blocage. Quand l'impulsion de lumière de déclenchement est introduite 9 - dans cet interrupteur à structure p±n-i-p-n+ de type thyristor, des paires d'électrons-trous sont générées au niveau de la diode n-i-p de blocage interne. Ces paires d'électrons-trous seront séparées par le champ électrique, donnant lieu à un courant photoélectrique. Le courant photoélectrique augmente instantanément la conductivité de la zone i de sorte que la tension aux bornes de la couche i est très fortement réduite et transférée aux jonctions pl'-nl et p2-n2+. L'injection de porteurs depuis les jonctions pl±nl et p2-n2+ aide le déblocage de l'interrupteur. L'action du circuit de commande commence par l'envoi de l'instruction de fonctionnement à l'organe de commande 100 qui déclenche une 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 d'une ligne d'alimentation CA soit d'une batterie est conditionnée et utilisée pour charger en impulsions le condensateur qui est le milieu accumulateur d'énergie, à savoir, le condensateur 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. L'impulsion optique de déclenchement générée est introduite dans l'interrupteur p±n- i-p-n+ de type thyristor de l'organe à semiconducteur monolithique 400. Une fois qu'une lumière optique de - 10 - déclenchement d'une longueur d'onde appropriée et d'une puissance optique suffisante a pénétré dans la zone active de l'interrupteur p±n-i-p-n+ de type thyristor sur l'organe à semiconducteur monolithique 400, elle produit des nombres suffisants de paires d'électrons-trous générés par les photons, initialise la commutation de l'interrupteur et entraîne un état complètement fermé (conducteur) de l'interrupteur. Avec le déblocage de l'interrupteur, la condition limite au niveau de l'électrode interne du composant monolithique à polarisation d'impulsion change d'une impédance haute (état ouvert) à un état hautement conducteur (état fermé). Au fur et à mesure que la condition limite au niveau de l'électrode interne devient hautement conductrice, l'énergie électrostatique mémorisée dans l'organe à semiconducteur monolithique 400 devient une onde progressive, commence à passer à travers l'interrupteur, et arrive au réseau laser de grande puissance 500 sous forme d'impulsion de courant élevée. De ce fait, le réseau laser de grande puissance 500 sort des impulsions laser ayant la largeur d'impulsion PW (PW = 2 x t = { 2 x F x L (cm)}/{ 3 x 10l10 (cm/s)}, (s) Les événements séquentiels du flux d'énergie sont donnés aux Figures 4a à 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, actionné optiquement à structure d'interrupteur p± n-i-p-n+. Conformément à la présente invention, le composant à semiconducteur monolithique consiste en un milieu accumulateur - il - d'énergie pour y mémoriser l'énergie électrique et un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement pour convertir l'énergie électrostatique chargée capacitivement en impulsion de courant élevée quand il est actionné par la lumière laser. Avec une telle structure, le composant à semiconducteur monolithique actionné optiquement peut générer des impulsions de courant de grande amplitude. Le composant monolithique fournit un mécanisme de gain et minimise également les effets de circuit négatifs tels que l'inductance et la capacité parasites. En outre, le déblocage de l'interrupteur par une impulsion optique de déclenchement provenant d'une diode laser de faible (ou moyenne) puissance donne des temps de montée et de descente extrêmement rapides. De ce fait, le circuit de commande proposé est capable de générer des impulsions de sortie de laser de grande puissance à temps de montée rapide et temps de descente rapide à une haute PRF. Bien que les modes de réalisation de l'invention aient été décrits à des fins d'illustration, l'homme de métier appréciera que diverses additions et substitutions sont possibles, sans s'écarter de l'étendue ni de l'esprit de l'invention telle qu'elle est décrite dans les revendications ci-jointes. - 12 - REVEND I CATIONS 1. Circuit de commande de diode laser comprenant un condensateur accumulateur d'énergie et un interrupteur à semiconducteur actionné optiquement intégrés sur un même substrat, dans lequel l'interrupteur à semiconducteur actionné optiquement a une structure de type thyristor. 2. Circuit de commande de diode laser conformément à la revendication 1, dans lequel la structure de type thyristor est une structure p±n-i-p-n+.