Brevet FR2747804A1 — publié le 19971024

GENERATEUR DE SIGNAUX HYPERFREQUENCES L'invention concerne un générateur de signaux hyperfréquences et notamment un générateur fournissant des signaux déphasés eVou retardés entre eux. Elle trouvera une application économique notamment dans la commande d'antennes à balayages pour les systèmes d'anticollision automobiles. L'invention concerne un générateur de signaux hyperfréquences à photoconducteur dont le fonctionnement résonant est adapté à la génération de signaux hyperfréquence de moyenne puissance. Ces signaux ont pour origine la détection d'une porteuse optique bifréquence de puissance élevée, rendue possible par l'utilisation d'un volume sensible de photoconducteur important (de l'ordre de 1 mm3 à comparer à 104 mm3 pour une photodiode). La maturité des composants optoélectroniques est telle aujourd'hui qu'elle autorise la transmission optique de signaux hyper dont la fréquence s'étend jusqu'à 60 GHz voir 90 GHz. Différentes méthodes sont possibles pour générer des retards entre signaux en utilisant des techniques optoélectroniques. Il est possible, par exemple, d'utiliser la commutation de lasers ou d'utiliser des fibres de différentes longueurs. L'invention a pour objet la génération de retards en utilisant des photodétecteurs détectant des franges lumineuses mobiles. L'invention concerne donc un générateur de signaux hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte . - un dispositif émettant un premier faisceau à une première longueur d'onde et un deuxième faisceau décalé en fréquence - un photodétecteur comprenant une zone de détection optique et deux électrodes situées de part et d'autre de cette zone; - un dispositif de transmission des deux faisceaux au photodétecteur de telle façon qu'ils interfèrent dans le photodétecteur selon un angle déterminé - une source de tension connectée aux électrodes. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - les figures la et lb, un exemple de réalisation du système à photodétecteurs selon l'invention - les figures 2a et 2b, le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention, - la figure 3, un exemple de réalisation plus complet du dispositif de l'invention - les figures 4 et 5, des variantes de réalisation du dispositif de l'invention En se reportant aux figures la et lb on va tout d'abord décrire un exemple simplifié du dispositif de l'invention. La figure la représente un ensemble de photodétecteurs D1 à Dn. II comporte une couche SC d'un matériau présentant des propriétés de photoconduction réalisée sur un substrat SU. La couche SC porte deux ensembles d'électrodes El à En disposées en vis-à-vis. Deux électrodes, El et E'1 par exemple, et la zone de matériau photoconducteur située entre ces électrodes constituent un photodétecteur. Les espaces inter-électrodes sont alignés selon une direction X. Comme représenté en figure i b, les photodétecteurs sont éclairés par deux faisceaux (co) et (o + 2Xcf) qui viennent interférer à la surface des photodétecteurs. Ces faisceaux ont des longueurs d'ondes légèrement différentes de telle façon que l'un des faisceaux est décalé en fréquences par rapport à l'autre faisceau. Dans une application à un générateur hyperfréquence, ce décalage est par exemple de l'ordre du GHz. Par ailleurs, un générateur de tension E est connecté aux électrodes telles que El d'une part et E'1 d'autre part. Le champ appliqué a pour rôle d'induire, entre les électrodes, une circulation des porteurs photocréés. Des signaux hyperfréquences peuvent être récupérés aux bornes des électrodes El à En. Les deux faisceaux lasers de pulsations o et o + 2xf (f 1 à 3 GHz si le décalage en fréquence est obtenu au moyen d'une cellule de Bragg acoustooptique), sont d'intensités sensiblement identiques. Ils interfèrent sur les photodétecteurs avec un angle d'incidence 0. Ils produisent un réseau de franges mobiles de pas A (A = iJ2.sinO où x représente la longueur d'onde du laser), se déplaçant à la vitesse v = A.f. Les paires électron-trou générées sous chaque frange brillante sont mues par le champ E appliqué entre les électrodes. On considère uniquement l'influence des électrons se déplaçant à la vitesse vn. Lorsque l'accord des vitesses v = vn est réalisé, les paquets d'électrons photogénérés sous chaque frange brillante sont véhiculés de manière synchrone avec le réseau d'interférences à travers la totalité des volumes de détection. De plus, si les électrodes réalisent des contacts ohmiques, les charges photogénérées et extraites peuvent recirculer dans la structure. Le photocourant est optimisé pour un nombre entier de franges dans l'espace inter-électrode I = N.A. Cette configuration permet de tirer profit du gain de photoconduction dû à la recirculation des franges, G = T/Tt OÙ T représente la durée de vie des porteurs et Tt le temps de transit dans l'espace inter-électrode. A la résonance (v = vn), la partie modulée du courant recueilli sur le photodétecteur i s'exprime par: I(t)=lo G.me.cos(2oft-(p;) où lo représente l'amplitude du photocourant hyperfréquence (expression analogue à celle d'une photodiode de volume équivalent), G le gain de photoconduction et me la profondeur effective de modulation du courant. LD représente la longueur de diffusion et m la profondeur de modulation des franges. Selon l'invention, pour que les signaux délivrés par les différents photodétecteurs soient déphasés et/ou retardés entre deux photodétecteurs on prévoit que les franges d'interférence des deux faisceaux lumineux sur les photodétecteurs soient dirigées sensiblement selon une direction Y qui fait un angle P avec la direction d'alignement X des photodétecteurs. La figure 8 représente de telles franges d'interférence par rapport aux photodétecteurs. Les signaux fournis par les différents photodétecteurs vont alors être déphasés entre eux. Le déphasage 59 pu+1 -(Pi entre deux photodétecteurs consécutifs dépend de l'angle d'inclinaison entre la direction de déplacement des franges et les électrodes: 2Jr.d.tan p = où d représente la distance entre deux photodétecteurs consécutifs. Ce déphasage est uniquement contrôlé par la position et le pas des franges optiques. Ainsi, si la vitesse des porteurs vn est différente de la vitesse de déplacement des franges v, le photocourant est affaibli mais 5cp reste inchangé. On peut donc contrôler le déphasage au moyen de deux paramètres, I'angle d'inclinaison ss ou bien le pas des franges A Ces contrôles peuvent être par exemple réalisés au moyen de miroirs piézoélectriques ou bien par des déflecteurs acousto-optiques. Cependant, un ajustement du pas des franges affecte la résonance et donc réduit l'efficacité des détecteurs. L'angle P entre la direction des franges d'interférence et la direction X d'alignement des photodétecteurs peut être obtenu en prévoyant que les axes des deux faisceaux lumineux sont parallèles à un même plan P lequel fait un angle Q avec la direction X d'alignement des photodétecteurs (figure 2b). On peut également prévoir que ces deux faisceaux ne sont pas parallèles à un tel plan P. Ils forment alors des angles différents par rapport à un plan orthogonal à la direction X. En considérant l'ensemble de la colonne constituée de n photodétecteurs régulièrement espacés, cette structure permet de générer une rampe de phase (0, 6top, 2 (p, (n-i) 6 Ce dispositif met à profit la vitesse de défilement des franges d'interférences, très inférieure à la vitesse de propagation des ondes hyperfréquences pour générer des déphasages dans un faible volume. La génération de rampes de phase contrôlées simplement par un angle d'inclinaison est particulièrement adaptée à la commande d'antenne linéaire à balayage électronique pour un système d'anti-collision automobile. Lorsque l'angle entre les deux faisceaux qui interfèrent et donc le pas des franges A est fixé, les retards engendrés sont indépendants de la fréquence f. II s'agit alors uniquement de déphasages. Afin d'obtenir des retards temporels, en d'autres termes des déphasages proportionnels à la fréquence, on insère la structure dans le montage décrit en figure 3. Une cellule de Bragg acousto-optique BA utilisée comme translateur de fréquence est alimentée par un signal micro-onde f de bande passante M. Chaque composante fréquentielle diffracte une partie du faisceau laser incident dans une direction faisant un angle Ol proportionnel à f, avec le faisceau non diffracté. Chaque faisceau diffracté est alors recombiné avec le faisceau transmis après la traversée du système optique de grossissement G, selon un angle 02 = GO1, également proportionnel à f. La vitesse de défilement vc des franges de chaque composante fréquentielle devient alors constante et fournit des déphasages proportionnels à la fréquence f et donc équivalent à des retards temporels dT exprimés par: dT d tans vc En se reportant aux figures 4 et 5, on va maintenant décrire une variante de réalisation permettant de maintenir la durée de vie des porteurs égale à T (durée de vie intrinsèque) même en régime de fort éclairement. Pour cela on sépare spatialement les zones de création et de transit des photoporteurs. Le principe de fonctionnement schématisé en figure 4 est le suivant dans le cas où ce sont les électrons qui se déplacent de manière synchrone avec les franges. Le même mécanisme s'applique également dans un photoconducteur où ce sont les trous qui assurent le transport du courant. L'élément photoconducteur 1 comporte, sur deux faces opposées 10 et 13, deux électrodes 22 et 23 auxquelles sont connectées une source de tension 24 permettant d'appliquer un champ électrique transverse Eb à la structure. Ce champ Eb a pour fonction de séparer spatialement électrons et trous. Comme dans les dispositifs précédents, un champ longitudinal Ea est appliqué à la structure. Ce champ Ea est appliqué par une source de tension 4 connectée à deux électrodes situées à deux emplacements distincts de la face 10 de l'élément 1. Le champ transverse Eb sépare électrons et trous et le champ longitudinal Ea les fait transiter. En outre, alors que les électrodes appliquant Ea sont a' contacts ohmiques, celles permettant d'appliquer Eb sont des contacts bloquants. Ainsi, par exemple, les électrons vont se déplacer à v = pEa, au voisinage d'un contact bloquant, dans une zone déplétée en trous par l'action de Eb. Dans cette zone déplétée en trous, la probabilité de recombinaison des électrons décroît et ainsi le taux de recombinaison associé devient r = dnlT (où T est la durée de vie intrinsèque des électrons). On retrouve la même condition de résonance qui maximise le photocourant. La figure 5 représente un exemple de réalisation du dispositif de la figure 4. Dans cet exemple, I'élément 1 est en GaAs. - Les électrodes d'application de Eb sont transparentes à la longueur d'onde de fonctionnement k. - Le matériau photocourant est l'AsGa semi-isolant non dopé. - X est choisie de manière à ce que l'épaisseur de la zone d'absorption soit de l'ordre de 10 um (en fait \i.Eb.Te ctest-à- dire, I'épaisseur de la zone déplétée en trous). Ainsi on a par exemple x = 885 nm et des électrodes en GaAIAs, n+/AIAs. REVENDICATIONS 1. Générateur de signaux hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif émettant un premier faisceau (o) à une première longueur d'onde et un deuxième faisceau décalé en fréquence; - un photodétecteur (D) comprenant une zone de détection optique et deux électrodes (El, E'1) situées de part et d'autre de cette zone, - un dispositif de transmission des deux faisceaux au photodétecteur de telle façon qu'ils interfèrent dans le photodétecteur selon un angle déterminé (0); - une source de tension connectée aux électrodes. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs photodétecteurs (D1 à Dn) alignés selon une première direction (X) et en ce que les deux faisceaux interfèrent dans les photodétecteurs de façon à former des franges d'interférence alignées parallèlement à une deuxième direction (Y) faisant un angle (Q) (différent de 0 degré) avec la première direction (X). 3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux faisceaux lumineux interférant sous un angle déterminé, les franges d'interférence se déplacent selon une direction et un sens déterminés, le sens du champ électrique appliqué est alors orienté selon sensiblement la même direction mais en sens inverse du sens de déplacement des franges. 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens permettant d'appliquer un champ électrique comportent deux premières électrodes (2, 3) situées sur deux faces opposées de l'élément photoconducteur et une source de tension (4) connectée à ces électrodes. 5. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'application d'un champ électrique comportent deux premières électrodes (2, 3) situées sur une même face de l'élément photoconducteur et une source de tension (4) connectée à ces électrodes. 6. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux deuxièmes électrodes (22, 23) d'application d'un deuxième champ électrique disposées sur deux faces opposées de l'élément photoconducteur, les moyens (5) pour collecter le courant circulant dans l'élément photoconducteur (i) étant connectés aux premières électrodes. 7. Générateur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les premières électrodes (2, 3) comportent des contacts ohmiques. 8. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deuxièmes électrodes (22, 23) comportent des contacts bloquants. 9. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une source optique émettant un faisceau d'une longueur d'onde (o) ; des moyens pour transmettre une partie de ce faisceau sur une face (10) de l'élément photoconducteur (1) sous un premier angle d'incidence des moyens pour transmettre une autre partie de ce faisceau vers un translateur électrooptique ou acousto-optique commandé par un signal électrique de fréquence (f) qui retransmet un faisceau translaté (o + 27lof) à la face (10) de l'élément photoconducteur sous un deuxième angle d'incidence. 10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les photodétecteurs (D1 à Dn) comportent une couche d'un matériau photoconducteur sur laquelle sont disposées deux rangées d'électrodes disposées face à face. 11. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les axes des faisceaux sont contenus dans un plan perpendiculaire à la deuxième direction (Y). 12. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les axes des faisceaux forment des angles différents par rapport à un plan orthogonal à la première direction (X) de façon que l'interférence des deux faisceaux produise dans les photoconducteurs des franges parallèles à la deuxième direction (Y). 13. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'espace entre deux électrodes (I) est multiple entier du pas des franges (A). 14. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vitesse de déplacement des franges (v) est sensiblement égale à la vitesse (vn) des porteurs photogénérés dans les photodétecteurs. 15. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de transmission comporte un dispositif de déflexion angulaire d'au moins un des deux faisceaux de telle façon que l'angle (0) d'interférence des deux faisceaux soit fonction du décalage en fréquence des deux faisceaux. 16. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de transmission comporte: - une cellule acousto-optique excitée par un signal électrique de fréquence (f), recevant une onde optique et fournissant le premier et le deuxième faisceaux selon deux directions différentes; - ainsi qu'un dispositif de focalisation des deux faisceaux vers les photodétecteurs. 17. Générateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que la fréquence du signal électrique est variable.