Contrôle optique direct de dispositifs et circuits
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THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE Spécialité Electronique Présentée par M. Salim FACI Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE Sujet de la thèse : Contrôle optique direct de dispositifs et circuits microondes : application aux oscillateurs soutenue le 10 décembre 2007 devant le jury composé de : M. Pierre Pouvil Professeur à l'ENSEA (Cergy Pontoise), Rapporteur M. Jean-Claude Mollier Professeur à l'ISAE (Toulouse), Rapporteur M. Georges Alquié Professeur à l'UPMC, Directeur de thèse Mme Catherine Algani Professeur au CNAM (Paris), Examinatrice M. Philippe Gallion Professeur à l'ENST (Paris), Examinateur M. Stéphane Formont Ingénieur à THALES (Elancourt), Examinateur Mme Charlotte Tripon-Canseliet Maitre de Conférences à l'UPMC, Examinatrice 1 Table des matières Introduction 1 Chapitre 1 6 Interaction onde électromagnétique – semiconducteur Chapitre 2 58 Contrôle optique Direct de dispositifs microondes : caractérisations de photocommutateurs Chapitre 3 108 Oscillateur microonde à contrôle optique : principe et méthode de conception Chapitre 4 160 Oscillateur microonde à contrôle optique : mesure, applications et optimisation Conclusion générale 202 Annexe 2 I INTRODU UCTION GENERALE G E cuits intégrrés microon ndes voient leur utilisa ation se mu ultiplier et e envahir la majorité Les circ des sys stèmes de télécommu unication. Actuellemen A nt, ces systèmes couv vrent de nouvelles n bandes de fréquen nce en raison de l'exp plosion de la l consomm mation mulltimédia et Internet tant pe ersonnelle que q pour les l entreprrises. Ce ty ype de serrvice deman nde des dé ébits de communication trè ès élevées, la génératio on et l'ache eminement des signau ux dans un ne bande ue et limitée e. Les liaiso ons d'accès câblées de e bout de liigne, assez gênants spectralle spécifiqu dans le es grandes villes, commencent à être rempllacées par de nouveau ux réseaux x d'accès sans fil fixe à larg ge bande. Ces C derniers s reposent sur s des sta ations de ba ase nécessitant des eurs et mo odulateurs dans lesqu uelles l'ém mission ne peut attein ndre que quelques q oscillate dizaines s de mètre es. Des co ontraintes de poids, de consom mmation e et d'encombrement conditio onnent la qu ualité des te echnologies s employées s dans ces systèmes. s L'optoéllectronique,, largemen nt développ pée aux ba asses fréqu uences, efffectue une e percée technolo ogique dans le domain ne des micrroondes. L'e effet de la lumière l surr les compo osants et système es conventiionnels ouv vre un cha amp de po ossibilités extrêmemen e nt riche. Quelques Q dénouem ments de laboratoire sont venus s bouleverser les moyens de télé écommunica ation en proposa ant des systtèmes comp plètement optique. o Bien qu'encore e à ses débu uts, l'avène ement de l'optique est venu changer c nos façons de e faire dans plusieurs domaines d d'activités. microondes s présente une u solution n intéressan nte pour La réaliisation de circuits hybrrides opto-m les app plications ra apides et ultra-rapide u es. Plusieu urs direction ns dans ce e domaine ont été explorée es. Parmi elles, e le contrôle optiqu ue direct de e dispositifs s et circuits s microonde es. Dans ce type e de contrrôle, le sig gnal optiqu ue est utillisé pour modifier le es caractérristiques diélectriiques d'un substrat se emiconductteur contraiirement aux x composan nts photovo oltaïques où le sig gnal optiqu ue est transfformé en signal électrique. Le phé énomène ph hysique exp ploité est l'effet photoconduc p cteur qui consiste c à générer g des s paires éle ectron-trou dans un matériau m semicon nducteur pa ar absorptio on de photo ons. 3 Le choix des semiconducteurs est fonction de l'application projetée et donc de la nature du signal optique. Aussi, les avancées technologiques en matière d'intégration de composants ont permis de disposer sur une seule puce des circuits intégrés microondes monolithiques et optiques. Initialement, la technique de la commande optique directe a été utilisée pour commuter un signal continu appliqué sur un composant, appelé photocommutateur, représenté par une interruption dans une ligne de transmission. Cette méthode de commutation rapide s'est ensuite généralisée aux signaux microondes en utilisant le même type de dispositifs. Le transfert de la modulation optique sur une porteuse microonde a été aussi démontré, simplifiant considérablement l'architecture d'un système de modulation. L'apparition des lasers impulsionnels a permis l'élaboration de nouvelles applications comme l'échantillonnage et la génération de signaux terahertz. A l'heure actuelle, le domaine d'application du contrôle optique par photoconduction s'élargit de plus en plus. L'inconvénient majeur des photocommutateurs est leurs pertes d'insertion élevées dues à la discontinuité de la ligne de transmission. Aussi, le faible rendement de la commutation en haute fréquence limite la bande passante des applications opto-microondes. Des optimisations sur la géométrie de la discontinuité ont été réalisées pour améliorer l'efficacité en fréquence du contrôle optique et diminuer les pertes d'insertion. Une autre solution pour palier ces inconvénients consiste à utiliser ce dispositif comme une impédance variable qui sera intégrée dans un circuit microonde. Pour réaliser les mêmes applications que celles d'un photocommutateur, une structure oscillante pour laquelle le signal de sortie est directement contrôlé par le signal optique, répond favorablement à ces critères. Ce circuit jouera le rôle de générateur et de modulateur dépendant de la puissance du signal optique. L'objectif de notre travail consiste à démontrer cette intégrabilité. Deux oscillateurs ont été étudiés, réalisés et finalement caractérisés. Le premier oscillateur délivre un signal microonde seulement à l'application d'un signal optique de puissance et longueur d'onde adaptées alors que la fréquence d'oscillation du second type d'oscillateur varie avec la puissance optique. Ce mémoire est organisé de la façon suivante : Le premier chapitre rappelle les différents mécanismes régissant un semiconducteur en équilibre et hors équilibre. L'effet de l'interaction d'une onde électromagnétique, de nature optique, avec le matériau semiconducteur est détaillé. Les différents mécanismes de génération/recombinaison dans un semiconducteur, qui conditionnent le profil de la photoconductivité, y sont décrits. L'interaction d'une microonde avec le matériau éclairé est analysée en fin du chapitre. 4 La première partie du second chapitre est consacrée à l'état de l'art du contrôle optique direct de dispositifs microondes ainsi que des applications. La deuxième partie concerne la caractérisation fréquentielle de photocommutateurs en technologie microruban. Une amélioration du rendement de ce type de dispositifs, appuyée par des simulations électromagnétiques, est également présentée. Le troisième chapitre décrit l'intégration d'un photocommutateur dans une architecture classique d'oscillateur. Les différentes possibilités de cette intégration sont comparées et ont mis en évidence la meilleure topologie répondant à notre objectif. La méthode de simulation fréquentielle des deux oscillateurs ainsi que les résultats de cette simulation sont ensuite présentés. Le dernier chapitre expose les résultats de la caractérisation fréquentielle et temporelle des oscillateurs en fonction de la puissance du signal optique. Les différentes applications réalisées avec ces deux circuits sont exposées. Finalement, une nouvelle alternative du contrôle optique direct de circuits microondes, supprimant ainsi le photocommutateur, est présentée. Cette dernière est introduite suite aux résultats d'optimisation des oscillateurs afin d'améliorer l'efficacité et le rendement de la commande optique. Une conclusion générale ainsi que les perspectives de ces travaux terminent ce mémoire. 5
