soutenance - TEL (thèses-en

Mesure vectorielle de champs électriques microondes et
de température par transducteurs électro-optiques fibrés
Maxime BERNIER
1
Contexte
Mesure haute fréquence (GHz)
Microélectronique
CEM
Espace libre
 Mesure en champ proche (caractérisation d’antennes ou MMIC)
 Compatibilité électromagnétique (CEM)
 Caractérisation d’impulsions électromagnétiques
• Monocoups
• Fort niveau
2
Sommaire
I. Introduction
II. Les sondes électro-optiques
III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique
IV. Système de compensation
V. Résultats
VI. Conclusion & perspectives
3
Introduction
Caractéristiques nécessaires :
 Grande sélectivité
Mesure vectorielle
 Large bande
 Grande résolution temporelle
 Bonne résolution spatiale
 Bonne sensibilité
 Gain en petit signal
(AF-1)
 Faible perturbation induite
Mesure de signaux monocoups
Cartographie
Mesure de champs de faible niveau
Mesure en champ proche
 Réponse linéaire
Compromis !!
4
Techniques de mesure
a. Mesure de puissance : mesure quadratique
E
• Bolomètres & calorimètres
Caméra infra rouge
• Thermographie infra-rouge
Cth
Absorbeur
Rth
Thermomètre
Électronique de détection
• Antennes
Antenne redressée
redressées
Rth
• Electro-absorption
Semi conducteur
(E)
Cryostat ou thermostat
Film
Perte de l’information spectrale
!!
pho
(f)
toth
b. Mesure de champ : mesure linéaire
dI
erm
iqu
e
Système
d’acquisition et
de traitement
Bonnes sensibilité et dynamique
P
• Antennes
Forte perturbation induite
d
t
Faible résolution spatiale
Sensibilité médiocre
• Effet EO : Pockels
Faible perturbation induite
Très bonne résolution spatiale
5
Sommaire
I. Contexte & introduction
II. Les sondes électro-optiques
1.
2.
3.
Principe
Design de la sonde
Point de fonctionnement et performances
III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique
IV. Système de compensation
V. Résultats
VI. Conclusion & perspectives
6
Principe de la mesure
1. Principe :
Cristal EO (partie active)
Modulation de la longueur
optique du cristal par effet
Pockels
Banc optique
 
n E  I
 
E  n E
dn(E)
Les différents dispositifs :
Eopt

Interféromètre à 2 ondes

Interféromètre de Fabry-Pérot

Modulation d’état de polarisation
II
amp
phase
1 2 L
1

 1  cos   
n  E  
4R 
2
 2 L

1 
sin 
n  E   
1  R   

0
Appareil hyperfréquence :
Photodiode
 
 
i E

I  
v E


d
I
Analyseur de spectre
Oscilloscope
E
Cavité
CristalFabryEO
n=nPérot
0+dn(E)
Iamp(E)
Iphase(E)
LL
EO
2
7
Caractéristiques des sondes EO
Interféromètre à 2 ondes
I
Interféromètre de Fabry-Pérot
I
1dB
Modulation d’état de
polarisation
3I0/4
u
Dj(
E)
Point de fonctionnement :

2
Point de fonctionnement :
Point de fonctionnement :
Point d’inflexion (     )
Point d’inflexion (75% de I0)
Gain en petit signal :
Gain en petit signal :
0
G
Phase
 L  n E 
E

   E
Dynamique :
D
Phase
(dB)  10 log
G
Amp
 E   0,41 F
0
I  I
0

 1,2
G
Phase
EO
E
Phase
D (dB)  D (dB)  11
Amp
Dépend de la sonde EO
Dépend de n
Dynamique :
I
??
Meilleurs gain
et sensibilité
8
Définition des états de polarisation
L’état de polarisation :
Polarisation linéaire
Polarisation elliptique
Polarisation circulaire
a
k
b
k
k
Y
Polarisation
Polarisationcirculaire:
linéaire :
Orientation••Y
et 0yellipticité x
EDj=0
0x=E
(=b/a) dépendent de E0x, E0y et
• Dj=90°
Dj
9
Modulation d’état de poarisation
EO crystal
I
Dn0
t
Faisceau sonde sortant
L
Faisceau sonde
incident
 
n
0
0
2 L
n

eff
0
I1 et I2
Effet Pockels
n  n  n
0
dI dépend
de :
2 L
E

 

Polarisation incidente

Puissance optique incidente
E
eff

    
0
E
dI
n
E
Design de la sonde
10
Sondes électro-optiques
2. Sonde réalisée :
 Fibre à maintien de polarisation
Polarisation
Cristal incidente rectiligne
EO
 Configuration en réflexion
• Polarisation à 45° des axes du cristal
 Performances optimales
• Polarisation
circulaire
Lame quart
 Puissance optique de retour maximale
Lame quart d’onde
d’onde
45°
Lentille
GRIN
Tube de verre
Férule
Lentille
Fibre à maintien
de polarisation
Lentille GRIN
GRIN
CristalEO
EO
Cristal
Férule
Fibre à maintien
de polarisation
Axes diélectriques de la
lame et du cristal
x
Tube de verre
Axes diélectriques
de la FMPLentille GRIN
Férule
y
Cristal EO
11
Point de fonctionnement
Sonde EO
PD 2
PD
1
Prisme de
Wollaston
Lame demi-onde
Lame demi-onde
Polarisation rectiligne
Polariseur
Isolateur
Puissances optiques :
I

I

1  cos 2 

2

 I  I 1  cos 2 

2
1
2 L



n



  2 L K  E


eff
0
avec
    
0
0
E
0
2
EO0
eff
†
E
†" Electro-optic sensors for electric field measurements. ii choice of the crystals and complete optimization of their
orientation", L. Duvillaret et al., J. Opt. Soc. Am. B 18, p. 1092-1098, (2001)
12
Performances

E

I
1  2 sin 2
2 
=1
I 
1
2
0
E
 
0

4

 2 
1  2  cos 2 
2
0
0
E
0
Réponse linéaire
Au point de fonctionnement :
I
I 
2
0
1
2
GI
0
 4 L

1


K

E





eff
4 L
K  G

• Mesure vectorielle
Phase
D(dB)  D
Phase
• Linéaire
(dB)
pour E = 0
• Gain maximal
I1 = I2
13
Sommaire
I. Introduction & contexte
II. Les sondes électro-optiques
III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique
1.
2.
Effet Fabry-Pérot
Dérive du point de fonctionnement
IV. Système de compensation
V. Résultats
VI. Conclusion & perspectives
14
Cavités Fabry-Pérot parasites
Origine des instabilités :
n T 
Variation de température
1. Effet Fabry-Pérot parasite :
PD2
R
Puissance optique réfléchie normalisée
1,2
  T 

 L T 
Mesure
Ajustement 0sinusoidal
1
0,8
opt
0,6
0,4
Tube de0,2
verre
Connecteur
FC/PC
PD1
Module Peltier
GBF
L T 
opt
Modulation lente
Modulation rapide
I T 
0
Cavité courte
Cavité longue
0
7,8
Lentille GRIN
7,9
8
8,1
8,2
8,3
Temps (s.)
Cristal EO
1,2
Puissance optique réflechie normalisée
(t)
laser
Férule
Fibre à maintien
de polarisation
1
0,8
R
0,6
G T  0,4 I T 
0
0,2
4 L
K

Mesure
Ajustement sinusoidal
0
7,798
7,8
7,802
7,804
Temps (s.)
7,806
7,808
15
Suppression des effets de cavité
Solution :
Férule polie à 8° :
Gaine
Connecteur
APC
Cœur
contrain
t
 Taux de modulation lente /10
Férule
Connecteur FC/APC :
Férule polie
 Taux de modulation rapide /100
0,5
1,02
0,4
FC/PC : Mesure
FC/APC : Mesure
1,01
Férule polie à 8°
Puissance optique normalisée
Puissance optique normalisée
Férule non polie
0,3
0,2
0,1
1,00
0,99
0,98
0,97
0,96
0,0
0
0,2
0,4
0,6
Temps (s.)
0,8
1
0,95
0
50
100
150
Temps (ms)
200
250
16
Stabilité de la réponse électro-optique
2. Dérive du point de fonctionnement :
n
EO
T 
EO
 T
0
EO

• Perte de linéarité

4
EO
0
Il faut compenser en temps réel la dérive  T
0

 E , TEO

0
1
EO
2
• D(T )  D sin 2 (T )
EO
Problème :
I I
• G T   G sin 2 (T )
EO
0
0
EO
I I
 !!
1
2
 
 E E
Filtrage
0 TEO 
Solution : Compensation des dérives lentes par contrôle de la longueur d’onde
 T  
0
4 L
n
(t )
EO
T  

4
Pas de compensation des dérives rapides de température (> 0.05 Hz) !!
17
Sommaire
I. Introduction & contexte
II. Les sondes électro-optiques
III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique
IV. Système de compensation
1.
2.
Principe
Le système d’asservissement
V. Résultats
VI. Conclusion & perspectives
18
Solution alternative
État de polarisation
Modulation
rapide (E)
Mesure de E
x (Dj, Dg) et
Y(Dj, Dg)
G(Dj0(TEO),
Dg(TFMP))
Modulation lente
(TEO, TFMP)
Instabilité
On doit compenser les dérives liées aux variations des
températures de la fibre (TFMP) et du cristal EO (TEO)
1. On doit connaître Dj0(TEO) et Dg(TFMP)
2. Définir le point de fonctionnement optimal
3. Stabiliser le point de fonctionnement
19
Calculs des déphasages relatifs
a
b
Y   0 ,  


b
  0 ,   
a

0


Compensation des dérives
d’état de polarisation
†
PD 2
PD
1
I1 = I2
Lame quart
d’onde (2)
Lame quart d’onde (ql/4) :
compensation de
x(Dj0, Dg)
Lame demiavec
onde

Prisme
cos
2  4 de

  arctan
 tan 2 4 Wollaston
  2 2 4   sin 2 2 4





Polarisation rectiligne
orientée à 45°
PD 3
4
PD
† "Vectorial
Lame demi-onde (ql/2) :
compensation de
Y(Dj0, Dg)
+



sin 2 2  4
  2  arctan 


tan  4  2  2  4  


Lame quart

q
(1)
d’onde

 l/2






sgn



 0
  2 8 4 

measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes",
I3 (2008).
= I4
M. Bernier et al., Applied Optics 47
20
Compensation de l’état de polarisation
PD
1
Lame quart
d’onde (1)
PD 2
I1 = I2
Lame quart
d’onde (2)
Prisme de
Wollaston
PD 3
4
PD
I 3= I 4


Température
du cristal
  , 
Polarisation rectiligne

État de polarisation stable
 ≠ Réponse EO stable !!
+
orientée à 45°
  , 

Température
de la fibre
0



2

2

4
4

21
Recherche du point de fonctionnement

sin 2

  2  arctan
 tan 4  2

Signal CW
connu
2



4
2

4





1
PD
PD 2
(°) (°)
Déphasage
(°)
-50
-50
-100
-100
Contrôle de longueur d’onde :
Moteur n°1
25
15
8
00
150
150
0
TT
==50°C
= 30°C
50°C
Etuve
( T)
Tsonde
sonde
sonde
sonde= 40°C
Moteur n°2
50
50
theta-alpha
° (°) °° (°)
Dg+
Dg+
theta
Dg+
Signal
Signal
EO
(dBm)
2a
2aEO
EO
2a
signal
(dBm)
signal
EO(dBm)
(dBm)
2 L

 2350
n T400
 0650

250
650
250
350
100
200 450450300 550 550
  t Lames motorisées
FMP
FMP
-75
-75
-75
-80
-80
-85
-80
-85
-90
750
500
-85
-95
-90

-100
-90
-95
-105
Analyseur de
spectre
-150
-150
Tps (s.)
(s.)
Temps
(s.)
Temps
(s.)
Tps
Temps
(s.)

2
t  +  t 

4
  t   2
G    2 
-95
-100
-110
PD 3
100
100
-70
-70
dBm(dBm)
dBm
Puissance
Puissance
(dBm)
150
150
Asservissement des
orientations des lames
22
4
PD
Système de compensation
2. Le système d’asservissement :
Le banc optique asservi :
PD2
Sonde fibrée avec
férule polie à 8°
PD
1
Lames motorisées
PD5
Moteur n°1
Moteur n°2
I1=I2
+
I3=I4
IN / OUT
PD1
PD2
PD3
PD4
PD5
Système d’asservissement
et d’aqcuisition
PD 3
4
PD
Caisson faradisé (isolation=90dB)
IN
in
Système de
détection
Ampli
hyper
Photodiode
rapide
in
out
Contrôle de
puissance
Diode
laser DFB
OUT


  2
0
Détection, amplification
et blindage
P0
EDFA
État de polarisation
en entrée de sonde
Système d’asservissement
numérique
Module Peltier
23
Système d’asservissement
4 paramètres d’asservissement :
Conditions initiales :
Puissance optique,
longueur d’onde
• Orientation de la lame quart d’onde
(ql/4)
• Orientation de la lame demi-onde (ql/2)
• Longueur d’onde d’émission (l)
• Puissance optique (Popt)
Rechercher une
polarisation rectiligne
4 boucles d’asservissement
«Proportionnel-Intégrateur»
Rechercher une
polarisation à 45°
Asservir moteur
n°1
Asservir moteur
n°2
Asservir longueur
d’onde
Asservir puissance
optique
Problèmes
24
Sommaire
I. Introduction & contexte
II. Les sondes électro-optiques
III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique
IV. Système de compensation
V. Résultats
1.
2.
Mesure de champ électrique (Impulsionnel et CW)
Mesure de température
VI. Conclusion & perspectives
25
Mesure de MFP sans compensation
Antenne de
référence
Source impulsionnelle
(SINUS 500)
0.2
0,2
a)
EE(u.Va.)
0.1
0,1
0
0.1
-0,1
sonde
EO
Début de
l’impulsion
0,115
0.115
0.12
0,12
0.1
0,1
0,125
0.125
temps µs
b)
platine de
rotation
0.13
0.135
0,13
0,135
Absorbant
hyperfréquence
0.14
0,14
0.05
0,05
EE(u.Va.)
Source impulsionnelle monocoup ou salve :
E(t)
800
kV.m-1
0
0.05
-0,05
20 ns
Début de
l’impulsion
0,155
0.145
0.15
0,15
0,155
0.155
temps µs
• Antenne guide d’onde (9 GHz)
0.16
0.165
0.17
•0,16
Sonde 0,165
EO avec0,17
férule non polie
Temps ( s)
3 ns
• Porteuse à 9 GHz
• Polarisation rectiligne
t
Mesure fidèle
26
Résultats
Conditions expérimentales :
0.2
0,2
a)
EE(u.Va.)
0.1
0,1
0
0.1
-0,1
• DT  10 C°/ heure
• 20 mètres de fibre
Début de
l’impulsion
reference
antenna EO probe perp
TF
EO probe //
0,115
0.115
0.12
0,12
0.1
0,1
0,125
0.125
temps µs
0.13
0,13
0.135
0,135
0.14
0,14
0,155
0.155
temps µs
0.16
0,16
0.165
0,165
0.17
0,17
b)
EE(u.Va.)
0.05
0,05
0
0.05
-0,05
Début de
l’impulsion
0,155
0.145
0.15
0,15
Temps ( s)
-10
40
0
30
20
10
0
-10
Signal de référence
Sonde alignée avec le champ
Sonde à 90° du champ
-20
-20
Selectivité
50
I 4 L

K  E
I

Amplitude du signal de référence (dB)
60
Amplitude rms signal EO normalisé
Ajustement sinusoidal
-30
-30
-40
-40
-50
-50
Amplitude du signal EO (dB)
Amplitude rms signal EO normalisé
70
-60
-60
150 200 250 300 350 400 450 500 550
Orientation de la sonde EO (°)
Sélectivité > 20 dB
s
=
6
7
8
9
10
Fréquence (GHz)
Emin  24 kV.m-1
Sensibilité  0,7 V.m-1.Hz-1/2
27
Mesure de signal CW avec compensation
-65
-70
4 points de contrôle
2 points de contrôle
• Signal CW à 2.9 GHz
Sans asservissement
Conditions expérimentales :
• DT = 15°C/1000 secondes
• LFMP=3 mètres
Banc optique asservi
Signal EO (dB)
Signal EO
-75
Analyseur de spectre
Caisson faradisé
-80
-85
Signal hyperfréquence
Analyseur de spectre
3 GHz -4 dBm
Coupleur
-90
Antenne
émettrice
-95
Etuve
Sonde
EO polie
DT8°C/heure pour
20 mètres de fibre
RFout
RFin
-100
RFout
0
Source Hyperfréquence
200
400
600
Chambre anéchoïque
Temps (s)
800
1000
Thermocouple
Fluctuation du signal EO  0,2 dB sur 1000 secondes
28
Mesure de température : principe
Sur une plage restreinte de température (quelques dizaines de °C)

n

n

EO
n
T
T
n
T
T   n T  
T
T   n T  
EO
EO
0
FMP
FMP
T

T
EO
FMP
0
 t       t  ,   t  
 t       t  
0
 2
 4
FMP
Mesure des variations
relatives de température du
cristal EO et de la FMP
29
Mesure de température du cristal EO
2. Banc de mesure :
Banc optique asservi
Etuve
( T)
Caisson faradisé
Asservissement des 4
paramètres
Thermocouple
Système d’asservissement :
• Contrôle et acquisition des quatre paramètres
• Acquisition de la température du thermocouple
Protocole expérimental :
Tini50°C
Thermalisation de Tetuve
Acquisition simultanée de
ql/2(t), ql/4(t) et l(t) et Tetuve(t)
30
Résultats : Mesure de température
0
Ajustement théorique :
-1000
55
Thermocouple
Ajustement théorique
T (Dj)
50
Dj0
-2000
60
EO
0
45
-3000
40
-4000
35
-5000
30
25
0
500
1000
1500
Différence de phase Dj(°)
Température du cristal EO (C°)
65
T  t   T  T  T
th
fin
ini
fin
e
Calcul de Dj0

t
etuve
†
 At
:

 





sgn



0

2


8 4 



cos 2  4
  arctan 

 tan 2 4  2
  2  4   sin 2 2 4






-6000
2500
2000
Temps (s.)
T
EO
† "Vectorial
    T
0
0

4 L

n
EO

T
n
EO
0
T
 5,35.10
5
K-1
measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes",
M. Bernier et al., Applied Optics 47 (2008).
31
Mesure de température : validation
Axes croisés du polariseur
et de l’analyseur
Analyseur
Photodio
de
Modulation thermique
d’état de polarisation
EO
l
a
t
s
Cri
Polariseur
n
nb 

  5,8  0,67 .10 K-1
T
T L
EO
5
Puissance optique normalisée
Axe propre du
cristal EO
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0
500
1000
1500
Temps (s.)
2000
2500
32
Performances
200
0
-360
Dj0(ql/2
, ql/4)
100
50
-720
-1080
-1440
0
-1800
-2160
-50
lame quart d'onde
lame demi-onde
-100
0
500
1000
1500
n
2000
0
EO
T
1000
1500
2000
65
Temps (s)
0
-1000
55
Thermocouple
Ajustement théorique
T (Dj)
50
Dj0
-2000
60
EO
0
45
-3000
40
-4000
35
-5000
30
25
0
500
1000
1500
Temps (s.)
2000
-6000
2500
Différence de phase Dj(°)
Performances
• Mesure relative
• Précision de mesure : 0,04 K
• Dérive de température mesurable :
~ 50 mK.s-1 soit 3°C/min
500
Temps (s)
Température du cristal EO (C°)
Orientations (°)
150
33
Mesure de température de la FMP
Banc optique asservi
Etuve
( T)
Caisson faradisé
1554
Thermocouple
Ajustement théorique
T(l)
Longueur d'onde l
40
35
Thermocouple
1553,5
  t  
1553
1552,5
1552
30
2  L  l  n
FMP 0
 l n
FMP
 t 
 t  
nm
Température de la fibre
45
 L n
T  t   
 T  T
l

n

T

FMP 0
ini
FMP
amb
   t 

  t 
1551,5
25
0
200
400
600
Temps (s.)
800
1551
1000
l = 2,9 mètres
34
Sommaire
I. Introduction & contexte
II. Les sondes électro-optiques
III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique
IV. Système de compensation
V. Résultats
VI. Conclusion & perspectives
35
Conclusion & perspectives
Sonde réalisée
Performances du transducteur
EO :
compacte
 Mesure déportée stable et Sonde
fiable (asservissement) :
 Fibrée
• fluctuation  0,2 dB pendant 1000 s (conditions
 Férule polie à 8° : stabilité
Photodiodes expérimentales
Sonde EO
difficiles)
PD et PD
fibrée
-Usinée
 Bande passante : ~10 Hz
16 GHz
 Entièrement
diélectrique
 Résolution spatiale : ~ 100
mm
quart
Mesure signaux monocoups et CW
Lame
Banc optique :
d’onde
Photodiode : ~ 20 dB (mesure
 Sélectivité
vectorielle)
 asservi
numériquement
PD
Cubes
 Mesure
de la température
du
cristal : du point de

Recherche
séparateurs
3
4
5
Prismes de
Wollaston
Système de
détection
Photodiodes
PD1 et PD2
fonctionnement
•
précision
:
0,04
K
Banc optique
Système
Suivi du :point
• variation temporelle
mesurable
0,05 de
mK/s
fonctionnement
d’asservissement
 Mesure
de la température
la fibre des données en
Lames quart
 de
Acquisition
d’onde
et demiétatmK.m/s
du système
• variation
temporelletempérature
mesurable : et
0,03
onde motorisées
D Sensibilité
Isolateur de
Lame demid’onde
Caisson faradisé
Faraday
0,7 V.m-1.Hz-1/2
Transducteur EO :
 Transportable (A3)
 Blindé
 Entièrement automatisé
36
Conclusion & perspectives
Système adapté à la caractérisation vectorielle de
champs hyperfréquences de forte puissance
 Applications militaires
 Hautes tensions
 Bioélectromagnétisme (E+T)
Plus d’applications si mesures 2 axes et meilleure sensibilité !!
Sonde EO pour la mesure simultanée de deux
composantes du champ électrique (sonde non fibrée)†
Sonde EO basée sur la modulation
d’amplitude (Thèse d’Adriana Warzecha)
† "Vectorial electric field measurement using isotropic electro-optic crystals", G. Gaborit et al.,
Appl. Phys. Lett. 90, (2007)
37
MERCI
38