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

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Table des matières
Introduction
Chapitre 1
Interaction onde électromagnétique – semiconducteur
Chapitre 2
Contrôle optique Direct de dispositifs microondes : caractérisations de
photocommutateurs
Chapitre 3
Oscillateur microonde à contrôle optique : principe et méthode de
conception
Chapitre 4
Oscillateur microonde à contrôle optique : mesure, applications et
optimisation
Conclusion générale
Annexe
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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.

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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.