Brevet FR2761835A1 — publié le 19981009

GENERATEUR ELECTRIQUE DE PROFILS TEMPORELS ARBITRAIRES, PROGRAMMABLE OPTIQUEMENT DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un générateur électrique de profils temporels arbitraires, programmable optiquement. Etat de la technique antérieure Les documents référencés [1], [2] et [3], en fin de description décrivent un dispositif de conformation d'impulsions contrôlé par un ordinateur utilisant des transistors à effet de champ AsGa, mais ces dispositifs sont limités en fréquences et en tension. Le document référencé [4] décrit un dispositif de mise en forme haute fréquence, mais non programmable par ordinateur. L'invention a pour objet un générateur électrique de profils temporels capable de fournir des profils de tension arbitraires, en haute ou basse tension, et à pas de programmation At très court. Exposé de l'invention La présente invention concerne un générateur électrique de profils temporels arbitraires programmable optiquement, caractérisé en ce qu'il comprend une première ligne hyperfréquence de déclenchement et une seconde ligne hyperfréquence de décharge couplées résistivement, par points, en ce que la première ligne est déclenchée par une transition de tension de durée inférieure à une nanoseconde, par exemple une impulsion ou un échelon, en ce que au moins un point est prélevé sur la première ligne par au moins un photoconducteur en mode résistance statique, couplé directement sur la seconde ligne, éclairé par une source de lumière programmable, une charge résistive étant connectée en sortie de ce générateur. Avantageusement une capacité peut éventuellement être disposée entre chaque photoconducteur et la seconde ligne permettant d'isoler en continu la première ligne de la seconde. Les photoconducteurs sont réalisés en matériaux semiconducteurs pris parmi les matériaux suivants silicium, arséniure de gallium. Chaque source de lumière programmable peut être une lampe à gaz ultraviolet - visible - infrarouge, ou une diode semiconductrice électroluminescente ou laser. Avantageusement chaque source de lumière peut être alimentée par une source de courant indépendante commandée en tension, le signal d'entrée de cette source de courant étant délivré par un générateur de tension multivoie programmable piloté par un calculateur. Avantageusement chaque source de lumière programmable produit un éclairement variable, programmé en référence à une consigne, qui définit la valeur de la résistance du photoconducteur, auquel elle est couplée, à l'instant de déclenchement du générateur. Avantageusement les deux lignes sont des lignes à ruban droites réalisées à partir de dépôts métalliques sur deux substrats respectivement associées à deux diélectriques de constantes diélectriques différentes. Les deux lignes hyperfréquences ont chacune une résistance caractéristique comprise entre 10 n et 100 Q, le substrat ayant une tangente de perte tg 6 10-3 à 10 Ghz. Le déclenchement de la première ligne peut être un déclenchement électrique, ou photoélectrique, de type indiciel ou impulsionnel. Un filtre peut être disposé entre la sortie et la charge, ce qui permet de lisser le profil temporel obtenu. Avantageusement le pas de programmation est compris entre trente picosecondes et une nanoseconde. Il est défini par l'espacement entre deux photorésistances. Un tel générateur électrique de profils temporels préprogrammé par photoconducteurs, qui est déclenché par un autre générateur, permet la mise en forme temporelle (MEFT) d'impulsions courtes. Selon la taille de la fenêtre temporelle dans laquelle le profil doit être programmé, et le générateur de déclenchement disponible, le pas At peut varier entre quelques dizaines et quelques centaines de picosecondes. Dans une utilisation avantageuse, ce générateur peut être couplé à un cristal électrooptique utilisant l'effet Pockels pour réaliser un modulateur d'amplitude d'impulsions laser. Par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, le générateur de l'invention présente de nombreuses caractéristiques originales, et notamment les suivantes Le couplage par photoconducteurs en mode résistance préprogrammée optiquement, et donc la fonction de générateur de mise en forme temporelle est programmable de façon électronique. Le principe de la mise en forme temporelle repose sur un schéma électrique de programmation par composants préprogrammés en mode quasi statique , par opposition, par exemple, aux dispositifs décrits dans les documents référencés [1], [2] et [3] en fin de description, utilisant des composants commutés en régime dynamique. La technologie des photoconducteurs fonctionnant en résistance variable sous l'effet d'un éclairement par diodes laser (ou autres sources) permet une action sur les lignes hyperfréquence sans contact physique entre la commande et la structure programmée, ce qui permet d'en optimiser le comportement en hautes fréquences et en simplifie beaucoup la réalisation. Il n'y a pas de composants actifs rapides, hors déclenchement, du type commutateur à transistor à effet de champ GaAs, comme dans les documents référencés [1] à [3] par exemple. Dans un tel cas, le comportement en hautes fréquences est limité par la rapidité des transistors à effet de champ. Dans le générateur de l'invention la limitation en hautes fréquences provient uniquement du générateur de déclenchement et des pertes dans les lignes. Il est possible d'obtenir une dynamique très importante dans la programmation des photoconducteurs Rj en mode résistance, les photoconducteurs étant éclairés en mode quasi continu. La limite sur la dynamique provient du rapport signal/bruit sur la valeur préprogrammée Rj, donc du courant d'obscurité du photoconducteur et du bruit de la source d'éclairement. Ce rapport, qui peut dépasser 30 dB, est fonction des conditions de mise en oeuvre du photoconducteur. Il n'y a aucun jitter des pas de temps par rapport à la transition de déclenchement, par comparaison avec des dispositifs n'utilisant pas de source de déclenchement unique. L'invention est simple et versatile d'un point de vue électronique et optoélectronique. Elle est d'un faible coût, si les sources de programmation optique par diodes laser (actuellement encore onéreuses) sont remplacées par des lampes à gaz. Elle est de faible volume en intégrabilité, par rapport à des solutions utilisant des composants électriques discrets, pour hyperfréquences, du type atténuateur variable. L'usage de photoconducteurs en régime quasi statique, pour rendre programmable le générateur de mise en forme temporelle, permet d'associer tous les avantages pour un meilleur compromis haute tension grande dynamique - hautes fréquences . Avec un déclenchement utilisant un photoconducteur, la mise en forme d'impulsions électriques ou optique (via un modulateur électro-optique) peut être effectuée avec les caractéristiques suivantes - pas de temps compris entre 30 et 100 picosecondes - niveaux de tension dépassant 5 KVolts - dynamique de programmation comprise entre 10 et 30 dB min. L'une des applications immédiates du générateur de l'invention est celle de permettre la mise en forme temporelle d'une impulsion optique fournie par un laser, par découpage à l'aide d'un modulateur électro-optique selon un profil prédéfini à l'instant de l'arrivée de l'impulsion de déclenchement. Un grand nombre d'autres applications peuvent être envisagées, dès lors qu'il est nécessaire de fournir à une charge résistive un profil de tension entrant dans un gabarit de temps défini précédemment, et dans une gamme de niveaux pouvant s'étendre de quelques Volts à plusieurs Kilovolts. Brève description des dessins - La figure 1 illustre une réalisation du générateur électrique selon l'invention ; - la figure 2 illustre un exemple de schéma pour le calcul du générateur électrique selon l'invention ; - les figures 3 et 4 illustrent deux formes de signaux obtenus en sortie du générateur électrique selon l'invention ; la figure 3 représentant le déclenchement par un échelon et la figure 4 le déclenchement par une impulsion courte. Exposé détaillé de modes de réalisation Le générateur programmable de l'invention est basé sur un ensemble de deux lignes hyperfréquences 10, 12 couplées résistivement, incorporant des photoconducteurs 11 programmables de façon électronique par des diodes laser 13 (ou autres sources optiques solides et à gaz) et déclenché par un interrupteur rapide placé en P qui fournit une transition de tension très brève, typiquement de quelques dizaines à quelques centaines de picosecondes. Cet interrupteur permet de déclencher le générateur, par voie électrique ou électro-optique (interrupteur de type photoconducteur). Comme illustré sur la figure 1, ce générateur comprend un première ligne 10 (ligne de déclenchement) déclenchée à l'aide d'une impulsion (Dirac) ou d'une transition brève (échelon) de tension (P étant le point de déclenchement), qui permet de propager ce signal à vitesse constante. Plusieurs points, équirépartis ou non, sont définis sur cette première ligne 10, et couplés à autant de photoconducteurs en mode résistance 11, directement ou à travers une capacité, sur une seconde ligne 12. La fonction de ces capacités est d'isoler en continu la première ligne de la seconde, ce qui permet de limiter la consommation du générateur. Le choix d'utiliser ou non une capacité de liaison est aussi lié à d'éventuelles contraintes sur le dimensionnement des photoconducteurs 11 en fonction de leur état de polarisation. La seconde ligne 12 (ligne de décharge) est couplée à la première uniquement par l'intermédiaire de ces photoconducteurs. Les couplages parasites répartis sont limités autant que possible en contrôlant la géométrie, les dimensions et la distribution des masses de l'ensemble. Les photoconducteurs de couplage 11 sont programmables, ce qui permet d'obtenir un générateur de profils électriques en tension programmable. Les photoconducteurs en mode résistance variable sont réalisés à base de matériaux semi-conducteurs de type silicium (Si), arséniure de gallium (GaAs) ou autres, éclairés par un ensemble de sources de lumière programmables qui peut être - un ensemble de lampes à gaz ultraviolet - visible - infrarouge - un ensemble de diodes semi-conductrices électroluminescentes (LED) ou laser (DL). Sur la figure 1 sont représentées des diodes laser 13 qui sont alimentées par des sources de courant indépendantes 14 commandées en tension. Les signaux d'entrée Vl(tl), Vn(tn) de ces sources de courant sont délivrés par un générateur de commande multivoie programmable 15 via un bus de commande 16, ce générateur étant piloté par un signal E issu d'un calculateur. Chacune des sources de lumière 13 produit un éclairement variable, programmé en référence à une consigne, qui définit la valeur de la résistance du photoconducteur auquel elle est couplée à l'instant du déclenchement du générateur. Les lignes 10 et 12 sont des lignes de type ruban réalisées à partir de dépôts métalliques sur substrats diélectriques 22, 23. Ces substrats 22, 23 sont à faibles pertes, pour pouvoir passer 3 à 10 Ghz, et possèdent une tangente de perte tgb z 10-3 à ces fréquences. Les paramètres de base de chacune des deux lignes 10 et 12 sont l'impédance caractéristique et la distance séparant deux photoconducteurs 11 voisins, et donc le pas temporel. Dans le cas d'une configuration haute tension, la nature et l'épaisseur du diélectrique sont choisies pour respecter les critères de tenue en tension. Les deux lignes 10 et 12 ne fonctionnent pas avec le même pas temporel et la différence des deux pas est exploitée pour définir la mise en forme. En fonctionnement, la première ligne 10 propage la transition de déclenchement, ce qui définit un pas de temps élémentaire entre photoconducteurs, et induit une transition de courant AI = AV /R, R étant la valeur de résistance, cette transition étant propagée et contre-propagée dans la seconde ligne 12. Comme illustré sur la figure 1 on utilise deux lignes droites à ruban 10 et 12, associées à deux diélectriques 20 et 21 de permittivités () différentes. Un rapport 4 sur les valeurs de E permet d'obtenir un rapport 2 sur les vitesses de propagation, soit un rapport 2 sur les pas de temps si on implante les photoconducteurs comme illustré sur la figure. Cette solution est simple d'un point de vue technologique. Il suffit de contrôler les résistances caractéristiques par l'intermédiaire des largeurs des deux rubans linéaires. Ces résistances caractéristiques peuvent varier typiquement, pour les diélectriques classiques, de quelques ohms à 200 ohms. Dans le générateur de l'invention, chaque ligne a une résistance caractéristique comprise entre 10 Q et 100 Q, ces deux lignes pouvant avoir des résistances caractéristiques identiques ou différentes. Le choix de ces résistances caractéristiques influe sur les critères d'optimisation du générateur : rendement électrique, tenue en haute tension, caractéristiques de la source de déclenchement. Dans cette réalisation le pas de temps est compris entre trente picosecondes et une nanoseconde. Les photoconducteurs (Rj) sont très faiblement capacitifs, ce qui permet au générateur de fonctionner en hautes fréquences. Pour un pas de temps égal à 100 ps sur la ligne de déclenchement et une gamme de valeurs Rj = 1 à 200 ohms par exemple, la capacité associée à Rj ne doit pas excéder Cj = 0.2 pF. On utilise donc une géométrie de photoconducteur sous forme de barrette longue, éclairée uniformément sur sa longueur (Dj) et dans son volume. Pour Dj = 1 cl, une largeur de 1 à 3 mm et un matériau photoconducteur type Si ou GaAs, Cj n'excède pas quelques dizaines de fF. En régime établi il n'y a pas de hautes fréquences, en ce qui concerne les contraintes dues aux photorésistances. Si on considère le cas d'un déclenchement haute tension par photoconducteur, couplé à une ligne de stockage de l'énergie, une transition de 5 KV avec un temps de montée inférieur à 100 ps peut ainsi être appliquée à l'entrée de la ligne de déclenchement 10. Le générateur de l'invention est préprogrammé à l'instant du déclenchement, c'est-à-dire lorsque la transition de déclenchement est envoyée sur la première ligne 10, en P. On peut avoir un déclenchement électrique ou photoélectrique de la première ligne 10 : dans ce dernier cas on utilise un photoconducteur éclairé par un laser. On peut utiliser différents types de déclenchement indiciel ou impulsionnel. La sortie (S) du générateur de l'invention est connectée à une charge résistive : ce peut être un générateur électrique de fonction sur charge résistive ou un modulateur électro-optique. On peut placer un élément de filtrage entre la sortie et la charge, ce qui permet de lisser le profil temporel obtenu. Un lissage peut aussi être obtenu en augmentant la valeur du temps de montée de la transition en P. La figure 2 illustre un exemple de schéma pour le calcul du générateur selon l'invention. On a un fonctionnement sur quatre points à base de photoconducteurs pré-ajustés en quasi-statique, avec une ligne de déclenchement 25 à impédance 10 ohms constante, une ligne de décharge 26 à impédance 50 ohms constante, un circuit 27 de déclenchement par photoconducteur série GaAs, des réseaux RC 28 représentant le schéma équivalent au photoconducteur quasi-continu (QCW) et un modulateur électro-optique 29 (avec, dans ce cas précis, compensation des effets mécaniques dans le modulateur). Les éléments de ligne Tdect et Tdech représentent les tronçons de ligne à ruban entre lesquels sont implantés les points de couplage résistif. Ces couplages sont effectués sans liaison capacitive. Les éléments R~phot , C~phot et L~phot représentent respectivement une photorésistance programmée, une capacité et une self inductance parasite associée, ces éléments parasites étant minimisés au maximum. Les interrupteurs S dect et S~fermeture , commandés par les générateurs de tension V~dect et V Tfermeture , sont une représentation simplifiée du générateur d'injection, et de l'interrupteur de fermeture qui détermine la fenêtre temporelle de mise en forme. S~dect peut en particulier être un photoconducteur sur lequel on couple un laser à impulsions courtes (de l'ordre de 10 à 30 picosecondes) . La capacité Cstockage est nécessaire d'un point de vue électronique pour accumuler l'énergie avant l'instant de déclenchement (déclenchement type série ). Cet exemple de réalisation suppose le générateur couplé à un modulateur électro-optique à ondes progressives simplement représenté par une résistance de charge R~charge . La source de tension V fermeture , non nulle, a pour rôle de compenser les effets mécaniques (et autres) induits dans le cristal du modulateur par les transitions haute tension. Ainsi, il est possible de contrôler le contraste à la fermeture du système, après la transition arrière de la fenêtre temporelle T . Les simulations sont effectuées dans les deux cas extrêmes où l'on utilise comme signal de déclenchement - un échelon, avec un photoconducteur pour lequel la durée de vie des porteurs de charge est grande devant T comme illustré sur la figure 3 - une impulsion courte de type Dirac, avec un photoconducteur pour lequel cette même durée de vie est courte ou du même ordre de grandeur que T, comme illustré sur la figure 4. REFERENCES [1] National Ignition Facility Front End Laser System de S.C. Burkhart, R.J. Beach, J.H. Crane, J.M. Davin, M.D. Perny, R.B. WILCOX (Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion Conference, proceedings page 48, Monterey CA, 31 mai-2 juin 1995) [2] Temporal Pulse Shaping Of Fiber Optic laser Beams de S.C. Burkhart et F.A. Penko (inertial Confinement Fusion, ICF Quarterly Report, janvier mars 1996, volume 6, numéro 2) [3] Pilote-Source-Mise en forme temporelle de Y. Hourmand (note technique DRIF/DCRE n" 443/96 du 2 juillet 1996) [4] Mise en forme des impulsions du laser PHEBUS de D. Salaun (note CEA/CELV/DLPP de juillet 1989) REVENDICATIONS 1. Générateur électrique de profils temporels arbitraires programmable optiquement, caractérisé en ce qu'il comprend une première ligne hyperfréquence (10) de déclenchement et une seconde ligne hyperfréquence (12) de décharge couplées résistivement, par points ; en ce que la première ligne est déclenchée par une transition de tension de durée inférieure à une nanoseconde ; en ce qu'au moins un point est prélevé sur la première ligne par au moins un photoconducteur (11) en mode résistance variable, couplé directement sur la seconde ligne, éclairé par une source de lumière programmable (13), une charge résistive étant connectée en sortie (S1, S2) de ce générateur. 2. Générateur selon la revendication 1, dans lequel une capacité est disposée entre chaque photoconducteur (11) et la seconde ligne (12) permettant d'isoler en continu la première ligne (10) de la seconde (12). 3. Générateur selon la revendication 1, dans lequel les photoconducteurs (11) sont réalisés en matériaux semi-conducteurs pris parmi les matériaux suivants : silicium, arséniure de gallium. 4. Générateur selon la revendication 1, dans lequel chaque source de lumière programmable (13) est une lampe à gaz. 5. Générateur selon la revendication 1, dans lequel chaque source de lumière programmable (13) est une diode semi-conductrice électroluminescente ou laser. 6. Générateur selon la revendication 5, dans lequel chaque source de lumière programmable (13) est alimentée par une source de courant indépendante (14) commandée en tension, le signal d'entrée (Vl(tl), Vn(tn)) de cette source de courant étant délivré par un générateur de tension multivoie programmable (15) piloté par un calculateur. 7. Générateur selon la revendication 1, dans lequel chaque source de lumière programmable produit un éclairement variable, programmé en référence à une consigne, qui définit la valeur de la résistance du photoconducteur, auquel elle est couplée, à l'instant de déclenchement du générateur. 8. Générateur selon la revendication 1, dans lequel les lignes hyperfréquences (10, 12) sont des lignes de type ruban droites réalisées à partir de dépôts métalliques sur deux substrats (22, 23) de constantes diélectriques (E) différentes.