Brevet FR2728359A1 — publié le 19960621

CONVERTISSEUR DE FREQUENCE ACCORDABLE L'invention concerne les convertisseurs de fréquences optiques permettant de générer des ondes optiques dans le domaine de l'infrarouge. De tels convertisseurs sont utilisés dans le domaine de la spectroscopie, par exemple pour la détection de gaz nocifs ou polluants. De façon générale, les émetteurs d'ondes infrarouges existant à l'heure actuelle appartiennent à l'une des quatre familles suivantes: - les diodes lasers à base de matériaux semiconducteurs à faibles gaps tels que le Pb Sn Se ou le Hg Cd Te. Ces diodes fonctionnent à basse température. L'accord en fréquence se fait par modification de la température de fonctionnement de la diode. Un tel accord est très difficile à réaliser du fait de la précision requise sur les températures. II est alors nécessaire d'utiliser des cryostats, ce qui est d'un emploi peu pratique. D'autre part, de telles diodes lasers présentent l'inconvénient de ne pas générer de fortes puissances. - Les lasers à gaz C02. De tels lasers présentent de nombreux inconvénients. En particulier, ils ne sont pas accordables continûment puisqu'ils émettent des raies discrètes. Ils sont, d'autre part, très encombrants. - Les oscillateurs paramétriques optiques (OPO). Ils permettent de générer deux ondes optiques à partir d'une onde de pompe. Un tel dispositif est constitué d'une source de pompe qui excite un cristal non linéaire placé dans une cavité résonnante. Comme dans un laser, I'émission n'a lieu que lorsque l'intensité de pompe dépasse un certain seuil. L'oscillation engendrée se produit simultanément sur deux fréquences: la fréquence signal et la fréquence "oisive" communément appelée fréquence "idler". Comme cela est connu de l'homme de l'art, I'amplitude de ces ondes est déterminée par la condition d'accord de phase. II faut ajuster l'adaptation des vitesses de phase des ondes dans le cristal non linéaire. II est alors nécessaire d'orienter correctement le cristal non linéaire dans la cavité résonnante. Cette opération est une opération difficile à mettre en oeuvre. D'autre part, les puissances de seuil étant assez élevées, il est nécessaire d'utiliser des lasers de pompe puissants et encombrants sans pour autant obtenir de bons rendements. - Les convertisseurs de fréquence. Ces dispositifs permettent de générer une onde optique dans le domaine de l'infrarouge à partir du mélange de deux ondes situées dans le proche infrarouge. Le mélange des deux ondes s'effectue dans un milieu non linéaire. ~ Afin d'assurer un fonctionnement correct du convertisseur, la condition d'accord de phase doit être réalisée entre toutes les ondes. Dans le cas particulier du doublage de fréquence, une technique permettant de réaliser les conditions d'accord de phase a été mise au point comme décrit dans un article de Sasson SOMEKH et Amnon YARW publié en 1972 dans la revue Optics Communications vol. 6 p. 301. Selon cette technique, une modulation spatiale périodique de la non-linéarité optique du matériau non linéaire, tel que le Niobate de Lithium (LiNbO3), est réalisé par diffusion de protons dans le matériau. Selon cette technique, dite de quasiaccord de phase, la relation suivante est alors vérifiée: ss#1 - ss#2 - ss#3 = mK Dans cette formule: - ssdi est la constante de propagation de l'onde de pulsation oi, #1 et #2 étant les pulsations des ondes qui se mélangent dans le cristal non-linéaire et #3 la pulsation de l'onde générée dans le domaine de l'infra-rouge. II vient donc: B#i = 2# n#i ##i avec ##i, longueur d'onde à la pulsation oi, et noil indice du matériau à la longueur d'onde ##i; ; - m est un nombre entier quelconque; - K est le nombre d'onde de la modulation de l'indice non linéaire, soit: K = d a où d est la période de modulation spatiale. L'inconvénient de cette technique est de ne pas permettre l'accord de la fréquence issue du convertisseur. En effet les conditions de quasiccord de phase ne sont réalisées que pour une longueur d'onde précise. L'invention ne présente pas cet inconvénient. L'invention a pour objet un convertisseur de fréquences à accord de phase ajustable. Un avantage de l'invention est donc de permettre l'ajustage de l'accord de phase. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait avec référence aux figures cixnnexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente la vue en perspective d'un dispositif de conversion de fréquence selon un premier mode de réalisation de l'invention. - les figures 2a et 2b représentent respectivement la vue en coupe d'un dispositif de conversion tel que celui représenté en figure 1 et l'évolution du coefficient non linéaire d'ordre 2 d'un tel dispositif soumis à un champ électrique extérieur. - la figure 3 représente le schéma de principe d'un dispositif de conversion de fréquence selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. - les figures 4a et 4b représentent respectivement la vue en coupe d'un dispositif de conversion tel que celui représenté en figure 3 et l'évolution du coefficient non linéaire d'ordre 2 d'un tel dispositif soumis à un champ électrique extérieur. - la figure 5 représente une modification du schéma de principe représenté en figure 3. - les figures 6a, 6b et 6c représentent un premier mode de réalisation du dispositif de principe représenté en figure 3. - les figures 7a et 7b représentent un second mode de réalisation du dispositif de principe représenté en figure 3. - la figure 8 représente la mise en oeuvre du dispositif décrit aux figures 7a et 7b. Sur toutes les figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. La figure 1 représente la vue en perspective d'un dispositif de conversion de fréquence selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le convertisseur de fréquence comprend une structure I formant guide optique. Cette structure est constituée d'un empilement de puits quantiques 2 tels que, par exemple, GaAs/ AlGaAs, InP / InAIAs / InGaAs, ZnSe / ZnTe ou encore SiGe/Si. Ces puits quantiques sont obtenus par tout moyen connu de l'homme de l'art. L'ensemble des puits quantiques forme guide d'onde du fait de l'optimisation des constantes diélectriques des différentes couches superposées, comme cela est connu de l'homme de l'art. Une électrode métallique 5 ayant une forme de peigne est située sur l'une des deux couches situées en surface, par exemple la couche 4 sur la figure 1. Cette électrode de métal est déposée par évaporation sous vide ou par tout autre moyen connu de l'homme de l'art. La couche 3 située elle aussi en surface, mais à l'opposé de la couche 4, est fortement dopée et reliée à un contact ohmique C. Une différence de potentiel V est appliquée entre l'électrode métallique 5 et le contact ohmique C. Les puits quantiques situés sous les électrodes métalliques présentent alors une forte non-linéarité due à l'asymétrie des fonctions d'onde des électrons et des trous présents sous les électrodes, alors que les puits quantiques situés entre les électrodes présentent une non-linéarité optique beaucoup plus faible due au seul matériau semiconducteur. L'application d'une tension V aux bornes du matériau non-linéaire permet donc la création d'une modulation spatiale périodique de la nonlinéarité optique du matériau. Sur la figure 1, la direction de propagation des ondes pénétrant dans le cristal non-linéaire est représenté par l'axe z. L'axe z a une direction parallèle aux plans définis par les différentes couches semiconductrices qui constituent les puits quantiques 2. L'électrode 5 en forme de peigne est constituée de doigts 6 de largueur L dont la direction est perpendiculaire à I'axe z. De façon plus générale, I'invention conceme d'autres configurations où les doigts 6 ont une direction qui n'est pas perpendiculaire à l'axe z De façon préférentielle, selon ce premier mode de réalisation, tous les doigts 6 ont la même largeur L et l'espace séparant deux doigts voisins est aussi de largeur L. II s'en suit que la période de modulation spatiale d est égale à 2L.D'autres modes de réalisation sont toutefois possibles, pour lesquels la largeur d'un doigt a une valeur différente de celle de la distance séparant deux électrodes. A titre d'exemple, pour des ondes de pompe de longueurs d'ondes respectives ##1 = 0,9 pm et h2 = 1,03 Clam, la longueur d'onde de l'onde issue de la conversion est h3 = 10,3 pm. L'indice de l'Arséniure de Gallium (GaAs) est alors respectivement égal à 3,55 (pour h1), 3,50 (pour ho2) et 3,30 (pour h3) et la relation de quasi-accord de phase énoncée précédemment conduit alors à définir une distance L égale à environ 16,6 pm pour m = 1. Afin de rendre le dispositif accordable en fréquence, la longueur d'onde d'une des ondes de pompe est elle-méme accordable. Les conditions de quasiaccord de phase sont alors obtenues par rotation du matériau nonlinéaire autour d'un axe perpendiculaire aux plans définis par les couches semiconductrices qui constituent les puits quantiques 2. L'invention permet alors de réaliser, par exemple, une source accordable dont la longueur d'onde d'émission varie de 8 à 12 pm en mélangeant dans le cristal nonlinéraire une première onde de longueur d'onde fixe égale à 0,9 pm et une deuxième onde de longueur d'onde accordable de 0,95 à 1 pm. Les figures 2a et 2b représentent respectivement la vue en coupe d'un dispositif de conversion tel que celui représenté en figure 1 et l'évolution du coefficient non linéaire d'ordre 2 d'un tel dispositif soumis à un champ électrique extérieur. Le coefficient non linéaire d'ordre 2, noté x(2), est défini par la relation: PNL ((03) = E0 x(2) E((D1 ) E((02) où PNL (#3) est la puissance de l'onde de pulsation 3 issue du convertisseur, s0 est la constante diélectrique absolue du vide, E(a > 1) est I'amplitude du champ électrique de l'onde de pulsation (Dl et E(o2) est l'amplitude du champ électrique de l'onde, de pulsation 6o2. Dans les conditions de polarisation décrites dessus, il apparaît que le coefficient non-linéaire d'ordre 2 évolue d'une valeur X(2)max dans les zones situées en-dessous des doigts 6 à une valeur x(2) min là où il n'y a pas de doigts. A titre d'exemple, la valeur X(2)max peut être égale à 10 pmN et la valeur X(2)min peut etre égale à zéro. La figure 3 représente le schéma de principe d'un dispositif de conversion de fréquence selon un second mode de réalisation de l'invention. Ce schéma représente une vue de dessus du dispositif, c'ests dire la vue de la couche semiconductrice 4 sur laquelle est déposée l'électrode 5. Selon ce mode de réalisation, chacun des doigts métalliques 6 de l'électrode 5 est relié à une électrode équipotentielle métallique 7 par l'intermédiaire d'un interrupteur 8. Selon l'invention, et comme cela sera précisé ultérieurement, chaque interrupteur 8 est commandable électriquement ou optiquement. L'électrode équipotentielle métallique 7 a préférentiellement une direction perpendiculaire à la direction définie par les doigts 6, mais d'autres configurations sont possibles. L'électrode 7 est reliée à une tension d'alimentation positive V. Ainsi, lorsque l'interrupteur reliant l'électrode équipotentielle 7 à un doigt 6 est à l'état passant, la tension V se trouve-t-elle appliquée audit doigt. Préférentiellement la largeur des doigts et la distance entre les doigts sont égales et de l'ordre du micron, voire du dixième de micron comme cela apparaîtra ultérieurement.Selon ce mode de réalisation, les doigts 6 sont électriquement reliés à la même tension V par groupes de N doigts voisins, deux ensembles de N doigts voisins électriquement reliés étant séparés par un ensemble de N-l doigts voisins électriquement isolés de toute tension de commande. Un exemple de ce second mode de réalisation est illustré aux figures 4a et 4b. Pour des raisons de commodités le nombre N a été choisi égal à 4. L'invention conceme cependant d'autres valeurs de N. Sur la figure 4a, les ensembles de 4 doigts référencés El, E3 et E5 sont électriquement reliés à la même tension V et les ensembles de 4 doigts référencés E2 et E4 sont électriquement isolés de toute tension de commande. II s'en suit que les zones situées en-dessous de ensembles de doigts El, E3 et E5 présentent un coefficient x(2) de valeur maximale, alors que les zones situées en-dessous des ensembles E2 et E4 présentent un coefficient x(2) de valeur minimale, comme représenté en figure 4b. L'avantage de ce mode de réalisation est de pouvoir commander la période spatiale d de la modulation des non-linéarités optiques du matériau non linéaire. II suffit pour cela de faire varier le nombre N d'électrodes voisines électriquement reliées. Avantageusement, les conditions de quasi-accord de phase sont alors vérifiées pour un ensemble de fréquences couvrant la bande 8/12 pm et au-delà. La figure 5 représente une modification du schéma de principe représenté en figure 3. Sur cette figure, chaque doigt 6 à une première extrémité reliée à une première électrode équipotentielle 7 par un premier interrupteur 8 et l'autre extrémité reliée à une seconde électrode équipotentielle 9 par un second interrupteur 10. Les électrodes 7 et 9 sont préférentiellement parallèles entre elles et perpendiculaires à la direction définie par les doigts 6. La première électrode équipotentielle 7 est reliée à une tension positive Va et la deuxième électrode équipotentielle 9 à une tension négative Vb, les tensions Va et Vb étant prises par rapport à la tension de référence du contact ohmique C. De même que pour le circuit décrit en figure 3, les doigts 6 sont électriquement reliées à la même tension Va par groupes de N doigts voisins. Mais ici, les doigts 6 voisins situés entre deux ensembles de N doigts voisins électriquement reliés à la même tension Va sont électriquement reliés à la même tension Vb. Ainsi, si l'interrupteur 8 reliant l'extrémité d'un doigt 6 à l'électrode équipotentielle 7 est à l'état passant, I'interrupteur 10 reliant l'autre extrémité du même doigt 6 à l'électrode équipotentielle 9 est-il à l'état bloqué et réciproquement. L'avantage de ce type de polarisation consiste en ce qu'aucun doigt 6 n'est à un potentiel flottant. Les figures 6a, 6b et 6c représentent un premier mode de réalisation du dispositif de principe représenté en figure 3. La figure 6a représente une vue de détail des modes de réalisation représentés aux figures 3 et 5. Sur cette figure sont représentés trois doigts 6 voisins. Chaque interrupteur 8 est constitué par un transistor T commandé par tout moyen connu de l'homme de l'art de façon à être passant ou bloqué. De façon préférentielle, les transistors T sont du type à effet de champ. Chaque transistor a son drain relié à l'électrode équipotentielle 7, sa source reliée à un doigt 6 et sa grille reliée à un registre à décalage Il. Selon la tension appliquée à sa grille chaque transistor T est passant ou bloqué. Sur la figure 6a, seule une extrémité de chaque doigt 6 est représentée. II est évident que l'invention conceme aussi un dispositif tel que celui représenté en figure 5. Chaque interrupteur 10 est alors un transistor T tel que mentionné cidessus. La figure 6b représente un premier exemple de réalisation du circuit de la figure 6a. L'exemple décrit à la figure 6b correspond à la technologie silicium. II est aussi applicable pour du silicium polycristallin déposé sur un composé Ill-V, telle que la technologie connue de l'homme de l'art sous le nom de "Thin Film Transistor". Le transistor qui a fonction d'interrupteur 8 ou 10 est alors un transistor MOS. Une couche de silicium 16 est déposée sur la couche semi-conductrice 4 là où le transistor doit être réalisé. La grille de contrôle du transistor est alors constituée d'une couche isolante d'oxyde 13 déposée sur la couche de silicium 16 et d'une électrode métallique 12 déposée sur la couche isolante 13. Le drain 14 et la source 15 sont réalisés par des zones dopées N+ à l'intérieur de la couche de silicium 16. Des couches isolantes 24 et 25 isolent respectivement l'électrode 7 et le doigt 6 de la couche de silicium 16 de façon que seul le drain 14 soit en contact avec l'électrode 7 et seul le drain 15 en contact avec le doigt 6. La figure 6c représente un deuxième exemple de réalisation du circuit de la figure 6a. L'exemple décrit à la figure 6c correspond à la technologie arséniure de gallium. Le transistor qui a fonction d'interrupteur 8 ou 10 est alors un transistor JFET. Une couche d'arséniure de gallium 17 dopée P+ est déposée sur la couche semi-conductrice 4 là où le transistor doit être réalisé. Sur la couche 17 est alors déposée une couche d'arséniure de gallium 18 dopée N. La grille de contrôle est constituée par le dépot d'une électrode métallique 21 sur la couche 18. Le drain 19 et la source 20 du transistor, réalisés par des zones dopées N+ à l'intérieur de la couche 18, sont en contact respectivement avec l'électrode 7 et avec le doigt 6, les couches isolantes 24 et 25 assurant la fonction énoncée plus haut Les exemples de transistors décrits aux figures 6b et 6c ne sont pas limitatifs.L'invention conceme d'autres types de transistors comme, par exemple, les transistors HMFET. Les figures 7a et 7b représentent un second mode de réalisation du dispositif de principe représenté en figure 3. Plus précisément, la figure 7a représente une vue de détail d'un deuxième mode de réalisation du dispositif de principe représenté aux figures 3 et 5. Sur cette figure, chaque interrupteur 8 ou 10 est constitué par une couche de matériau semiconducteur photoconducteur 22. Ce matériau peut être, par exemple, du silicium amorphe ou bien encore de l'arséniure de gallium déposé à basse température. Un avantage de ce mode de réalisation est de pouvoir réaliser des interrupteurs 8 ou 10 présentant un très faible encombrement. La largeur e de chaque couche de matériau semi-conducteur 22 peut atteindre, par exemple, un dème de micron. II s'en suit que la distance L peut aussi atteindre un dixième de micron. Comme cela apparaît plus précisément en figure 7b, des contacts électriques, constitués de zones 23 dopées N+, permettent à la couche semiconductrice 22 d'être reliée à une de ses extrémités à l'électrode métallique 7 et à l'autre de ses extrémités au doigt 6.Ces contacts électriques sont réalisés par toute technique connue de l'homme de l'art telle que l'implantation ou encore la diffusion d'éléments dopants. L'éclairement des couches semi-conductrices 22 est réalisé par la technique connue du réseau optique par holographie. Comme représenté en figure 8 deux faisceaux cohérents F1 et F2 sont envoyés sur la couche 4 sur laquelle est déposée l'électrode 5. Ces faisceaux interfèrent de façon à définir en surface de la couche 4 des franges d'interférences. II s'en suit que les couches semi-condudrices 22 éclairées conduisent, alors que les couches seminductrices 22 non éclairées ne conduisent pas. La période d de la modulation spatiale est alors contrôlée par les angles d'incidence des faisceaux cohérents. Un avantage de ce mode de réalisation est d'atteindre une précision dans la définition de la période d de la modulation spatiale de l'ordre de grandeur de la résolution des techniques d'holographie, c'est dire, par exemple, de l'ordre de I 000 A D'autre part, comme cela est connu de l'homme de l'art, I'électronique de commande d'un tel dispositif est facile à réaliser. Avantageusement, et quel que soit son mode de réalisation, I'invention permet l'obtention de rendements en puissance élevés. A titre d'exemple non limitatif, pour des ondes de pompe dont la puissance est égale à 1 watt, I'invention permet de générer une onde de l'ordre de 5 mW accordable de 8 à 12 pm sur une distance de matériau non linéaire de l'ordre de 1 cm. REVENDICATIONS 1. Convertisseur de fréquences optiques permettant de générer une onde optique à partir du mélange de deux ondes dans un matériau non linéaire, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour accorder la fréquence de l'onde optique générée. 2. Convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour accorder la fréquence de l'onde optique générée sont constitués d'une électrode (5) déposée sur une première face (4) du matériau non linéaire et d'un contact ohmique électriquement relié à la face (3) opposée à ladite première face (4), ladite électrode (5) comprenant un ensemble de doigts (6) parallèles les uns aux autres et une électrode équipotentielle (7), chaque doigt ayant une de ses extrémités reliée à ladite électrode équipotentielle (7) par un interrupteur (8), L'autre extrémité étant électriquement isolée. 3. Convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour accorder la fréquence de l'onde optique générée sont constitués d'une électrode (5) déposée sur une première face (4) du matériau non linéaire et d'un contact ohmique électriquement relié à la face (3) opposée à ladite première face(4), ladite électrode (5) comprenant un ensemble de doigts (6) parallèles les uns aux autres et deux électrodes équipotentielles (7,9), chaque doigt ayant une première de ses extrémités reliée à une première électrode équipotentielle (7) par un premier interrupteur (8), et une seconde extrémité reliée à la seconde électrode équipotentielle (9) par un second interrupteur (10). 4. Convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque interrupteur (8, 10) est un transistor commandé de façon à être passant ou bloqué. 5. Convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 4, caractérisé en ce que le transistor est de type MOS, de type JFET ou de type HMFET. 6. Convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque interrupteur est réalisé par une couche de matériau conducteur photoconducteur (22). 7. Convertisseur de fréquences optiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau non linéaire est constitué de l'empilement de puits quantiques (2) tels GaAs / AlGaAs, InP / InAIAs / InGaAs, Zn Se / Zn Te, ou SiGe / Si. 8. Convertisseur de fréquences optiques permettant de générer une onde optique à partir du mélange de deux ondes dans un matériau non linéaire, caractérisé en ce que le matériau non linéaire est constitué d'un empilement de puits quantiques (2), en ce qu'une électrode métallique (5) constituée d'un ensemble de doigts (6) en parallèle les uns avec les autres et électriquement reliés à une même électrode équipotentielle (7) est déposée sur une première face (4) dudit empilement et en ce qu'un contact ohmique est électriquement relié à la face (3) opposée à ladite première face (4). 9. Convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 8, caractérisé en ce que les puits quantiques (2) sont du type GaAs / AlGaAs, InP /InAIAs / InGaAs, Zn Se / ZnTe, ou SiGe / Si. 10. Procédé pour accorder la fréquence de l'onde optique générée par un convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à rendre passants les interrupteurs par groupe de N de façon que deux ensembles de N doigts voisins électriquement reliés à la même tension (V) soient séparés par un ensemble de N-l doigts voisins électriquement isolés de toute tension de commande. 11. Procédé pour accorder la fréquence de l'onde optique générée par un convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à rendre passants lesdits premiers interrupteurs par groupes de N de façon que deux ensembles de N doigts voisins soient électriquement reliés à une meme première tension (Va) et lesdits seconds interrupteurs par groupes de N-l de façon que N-1 doigts voisins soient électriquement reliés à une meme deuxième tension (Vb), deux ensembles de N doigts voisins électriquement reliés à la même première tension (Va) étant séparés par un ensemble de N-l doigts voisins électriquement reliés à la même deuxième tension (Vb). 12. Procédé pour accorder la fréquence de l'onde optique générée par un convertisseur de fréquences optiques selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à faire tourner ledit convertisseur autour d'un axe perpendiculaire aux plans définis par les couches semiconductn'ces qui constituent les puits quantiques (2).