EP3298424A1 - Procédé et système de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, millimétriques ou submillimétriques, notamment térahertz - Google Patents

Procédé et système de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, millimétriques ou submillimétriques, notamment térahertz

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EP3298424A1
EP3298424A1 EP16724404.5A EP16724404A EP3298424A1 EP 3298424 A1 EP3298424 A1 EP 3298424A1 EP 16724404 A EP16724404 A EP 16724404A EP 3298424 A1 EP3298424 A1 EP 3298424A1
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electromagnetic waves
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for generating and detecting centimetric, millimetric or submillimetric electromagnetic waves, preferably in the terahertz domain.
  • the terahertz domain designates electromagnetic waves whose frequency extends from 100 GHz (Gigahertz) to 30 THz (Terahertz), for millimetric or submillimetric wavelengths, typically between 30 ⁇ and 3 mm.
  • the invention aims to make simpler, more compact and less expensive systems for generating and detecting Terahertz waves.
  • centimetric, millimetric and submillimetric waves can be generated and detected by several devices that can be classified according to their characteristics and parameters in three categories: the devices that are hereinafter referred to as thermal, optical and finally electronic devices.
  • heat sources are natural generators of millimeter and submillimeter waves.
  • the black body is a source of broad spectrum radiation. Filters can be used to filter millimeter and submillimetric waves.
  • thermal detectors that convert the millimeter and submillimeter waves into thermal energy
  • pyroelectric devices ie in a material in which a temperature change causes a variation in electrical polarization
  • Golay cells which are a type of opto-acoustic detectors mainly used in infrared spectroscopy.
  • Thermal detectors are used to detect temperature variations, and for some, passively detect millimeter and submillimeter waves emitted by the environment. They are then sensitive to infrared waves and require the use of filters.
  • temperature variations are subject to heat dissipation laws that make the response time of these thermal detectors long: [1].
  • the bolometer may be integrated as a camera module, which includes a lens 30 and a focal plane array 31 comprising a plurality of radiation detectors.
  • optical millimeter and submillimeter wave sources there are two types of optical millimeter and submillimeter wave sources: those emitting continuous waves ("Continues Wave” in English acronym CW) and those emitting pulsed waves.
  • CW continuation waves
  • Quantum cascade lasers can work in CW mode as well as in pulsed mode.
  • Time Domain Spectrometers TDS are pulsed generators used as broadband sources.
  • BWO Backward Wave Oscillators
  • gyrotrons as described in the publication [3], which require an intense magnetic field to work.
  • US Patent 8907284B2 discloses an integration of this type of detectors in the form of a camera.
  • Heterodyne detectors are more sensitive than direct power detectors.
  • the operation of the heterodyne detectors consists of transposing the energy of a part of the spectrum at lower frequency (called “intermediate") before detecting it.
  • a heterodyne detector comprises a mixer ("mixer” in English) and a local oscillator ("Local Oscillator” in English) which acts as millimeter reference or submillimetric reference reference.
  • RF Radio Frequency
  • FI Intermediate Frequency
  • heterodyne devices require a millimeter or submillimetric wave source to operate.
  • the limit for realizing millimeter or submillimeter wave sources in silicon technology is the cutoff frequency of the components (fT / fmax).
  • Harmonic systems are then implemented, they can be of free oscillator type, as described in the publications [4, 5], of the locked oscillator type as described in publication [6] or as a multiplication chain, as described in publication [7].
  • FIG. 2 schematically shows the operating principle of an electronic device THz with harmonics according to the publication [5]: it is a question of illuminating in an unfocused way an object 2 with the aid of a source of THz 1 transmission for active imaging in transmission mode.
  • the source matrix 11 thus emits millimeter and submillimetric waves that the objective 10 transmits to the illuminated object 2.
  • the millimeter and submillimetric waves reemitted by the object 2 are picked up by the objective 30 of the detector (objective) 3 and then detected by the focal plane array 31.
  • the source matrix 11 which can be programmed, provides a backlight to the focal plane array 31.
  • this publication [5] this has the advantage to allow a video camera, CMOS type to acquire the images in real time without the need for scanning or beam orientation.
  • the object of the invention is to meet at least part of this need.
  • one aspect of the invention is a method for generating and detecting centimetric, sub-millimetric or millimetric electromagnetic waves, preferably Terahertz, in which a single electronic device is used as a source of generation and as a detector of the waves emitted from the source.
  • the subject of the invention is also a system for generating and detecting centimetric, sub-millimeter or millimeter electromagnetic waves, preferably Terahertz, comprising a single electronic device constituting both a source of generation and the detector of waves emitted since source.
  • CMOS complementary Metal Oxide Semiconductor
  • VLSI very large-scale integration
  • HBT Hetero-junction Bipolar Transistor
  • the inventor thinks of realizing the generation and detection of centimetric, millimetric or submillimetric waves with the same electronic device.
  • the inventor thus overcame a universal prejudice in the field of THz waves according to which in terms of system design, it was imperative to design a source of emission independently of the detector.
  • the main advantage of a system according to the invention is the simplicity of implementation including simplified optical assembly, compactness and cost necessarily reduced compared to THz systems according to the state of the art.
  • the invention avoids the need to develop two distinct wave processing chains, or to use a diplexer, ie a two-way THz frequency passive telecommunications device, each of which with a frequency filter, without covering the bandwidths, and three doors, one being common to both channels, and the other two being isolated from each other, and respectively terminating each of the channels.
  • a diplexer ie a two-way THz frequency passive telecommunications device, each of which with a frequency filter, without covering the bandwidths, and three doors, one being common to both channels, and the other two being isolated from each other, and respectively terminating each of the channels.
  • the system according to the invention can operate at ambient temperature, and can be integrated in a multi-pixel configuration of the camera type.
  • the emission and detection of the same wave makes it possible to envisage a coherent detection, with the possibility of detecting the amplitude of the wave, but also its phase. If a variable frequency source is used, then it can be used for distance detection (radar), but also for the extraction of the dielectric properties of various materials.
  • coherent THz radiation is meant here and in the context of the invention, either a monochromatic radiation of high spectral purity, or a THz pulse whose different spectral components have a well-defined phase relationship which conditions the shape time of the pulse.
  • a system according to the invention may have a matrix size that can be modulated in transmission and detection. This allows an imager type integration.
  • the system may comprise at least one adjustable-frequency AC power source equipped with an antenna.
  • Two adjustable frequency AC power sources with current mirrors can be provided.
  • a polarization T connected between the antenna and a low impedance current amplifier which is itself connected to a voltage source, the output of the amplifier defining the detection output of the device,
  • a polarization T connected between the antenna and a high impedance current amplifier which is itself connected to a current source, the output of the amplifier defining the detection output of the device,
  • a grounded differential antenna connected to a low impedance current amplifier itself connected to a voltage source, the output of the amplifier defining the detection output of the device.
  • An earthed differential antenna connected to a high impedance current amplifier itself connected to a current source, the output of the amplifier defining the detection output of the device.
  • the advantage of the systems according to the first mode is the integration in circuit with an analog and digital block interface for signal processing.
  • the system may comprise at least one frequency source equipped with an antenna.
  • two differential frequency sources of the "N-push" type equipped with a differential antenna can be provided.
  • the invention is not limited to this type of sources.
  • oscillators can "be used, such as linear oscillators as said oscillators Armstrong Hartley, Colpitts, Clapp, Pierce phase shift, Wien bridge, type LC cross-coupled to Robinson or nonlinear or relaxation oscillators, such as a multivibrator, oscillator with a neon lamp, ring oscillator, called Royer or a so-called delay line oscillator.
  • the system according to the invention may comprise one or more frequency multiplication chains with a buffer circuit.
  • the system may comprise one or more steerable beam antennas by an electrical control circuit. It is thus possible to create images in real time by combining the desired orientation of the beam transmitted / received by the antenna with a generation and detection from the same device.
  • the invention also relates to the use of the method or system according to one of the claims described above for imaging, in particular near-field imaging.
  • FIG. 1 is a schematic view of a millimeter and submillimetric wave generation and detection system according to the state of the art, with the environment as a source of emission,
  • FIG. 2 is a schematic view of another millimeter and submillimetric wave generation and detection system according to the state of the art, with an unfocused illumination on an object,
  • FIG. 3 is a schematic view of a first centimeter, millimeter and submillimetric wave generation and detection system according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic view of a second centimeter, millimeter and submillimeter wave generation and detection system according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic view of a third centimeter, millimeter and submillimetric wave generation and detection system according to the invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of a fourth centimeter, millimeter and submillimetric wave generation and detection system according to the invention.
  • FIGS. 7 and 8 are diagrammatic views of centimeter, millimeter and submillimeter wave generation and detection system variants according to the invention, in which the single device is a harmonic oscillator with an antenna and a differential antenna respectively,
  • FIG. 9 is a schematic view of a centimetric, millimetric and submillimetric wave generation and detection system according to the invention, with a harmonic oscillator allowing the possible detection of the phase and amplitude variations of the waves,
  • FIG. 10 is a schematic view of a variant of a millimeter and submillimeter wave generation and detection system according to the invention, with an improved reading circuit,
  • FIGS. 11 and 12 are diagrammatic views of centimeter, millimeter and submillimeter wave generation and detection system variants according to the invention, in which the single device comprises a buffer circuit with an antenna and a differential antenna, respectively. ,
  • FIG. 13 is a schematic view of a variant of a centimetric, millimeter and submillimetric wave generation and detection system according to the invention, using a set of steerable beam antennas by an electrical control circuit,
  • FIG. 14 schematically shows the reconstruction of an image from an orientable beam transmitted and received from the assembly of FIG. 13,
  • FIGS. 15 and 16 are top and side views, respectively, of a system for near-field imaging without a coupler integrating a single transmission / reception device according to the invention.
  • All centimeter, millimeter or submillimeter (THz) wave generation and detection systems according to the invention comprise a single device 1, 3 constituting both a source of emission of these waves and the detector of the waves emitted by source.
  • the variations of current or voltage of the supply circuit for example are detected with a reading circuit at frequency F1.
  • the single device 1, 3 makes it possible to emit THz waves which, on the surface of an object 2 placed at a certain distance, are reemitted, either by being reflected directly or by by being absorbed and reflected, the waves thus re-emitted being detected by the same electronic device.
  • Any metallic or dielectric material of object 2 can reflect with or without absorption THz waves.
  • the source itself is also used as a detector of the generated wave having been reflected.
  • the electronic device 1, 3 according to the invention can then not only detect the amplitude of the wave (power) but also its phase.
  • the read circuit is used to detect current (FIGS. 3 and 5) or voltage (FIGS. 4 and 6) variations.
  • the single electronic device 1, 3 comprises an adjustable frequency AC power source 4 connected to an antenna 6.
  • a polarization T 5 is connected between the antenna 6 and a current amplifier.
  • low impedance 8 itself connected to a voltage source 7.
  • the output 80 of the amplifier 8 defines the detection output of the device.
  • a high impedance current amplifier 8 'and a current source 7' can be provided (FIG. 4).
  • a DC rectifier block 12 may be provided at the amplifier input 8 '(FIG. 4).
  • a differential antenna 9 with grounding 13 can be provided (FIGS. 5 and 6).
  • the source may be a harmonic oscillator 14 equipped with an antenna 6 (FIG. 7).
  • This antenna 6 can be integrated or a discrete component, of the Patch type, or having radiation properties through the substrate, or using a lens.
  • the harmonic oscillator may consist of differential oscillators 14.1, 14.2 of the "N-push” type equipped with a differential antenna 9 (FIG. 8). As illustrated in FIG. 8, the two oscillators 14.1, 14.2 make it possible to obtain a phase shift of 180 °.
  • the waves emitted by the source 1 and then reflected are then retransmitted into the transistor.
  • the transistor is either a fundamental mode generator or a Nth harmonic detector reflected at the interface between the common node and the antenna 6 or 9 for example. Since the antenna is a reciprocal device, ie which transmits and receives the waves in the same way, it is then possible to detect amplitude and phase variations of the reflected waves, as illustrated in FIG. 9. Other variants and improvements may be provided without departing from the scope of the invention.
  • One of the variants of the invention may consist of the use of fundamental oscillators, or of frequency multiplication chains with a buffer circuit.
  • the buffer circuit 16, 16.1, 16.2 can be used as a detection circuit (FIGS. 11 and 12).
  • FIG. 13 illustrates an advantageous variant according to which the device according to the invention comprises a set of antennas 6 'with an electromagnetic beam orientable by a suitable electrical control circuit 17. It is possible to provide a single antenna 6' with an orientation beam variable.
  • This variant is advantageous because it is possible to create images in real time by combining the desired orientation of the beam transmitted / received by the antenna with a generation and detection from the same device.
  • FIG. 14 schematically shows the reconstruction of an image that can be obtained in the reading circuit 18 from a beam with a variable orientation emitted / picked up by the set of antennas 6 '.
  • Quality images thus created can be obtained with a very large number of pixels. In other words, with such a device, it is possible to obtain important image sizes with a small transmitter / receiver size.
  • a particularly interesting application is imaging, in particular dental imaging, in particular for children's teeth, where the compactness of the system according to the invention allows it to be introduced into the mouth of a child and to ensure both emission and Thz wave detection.
  • Figures 15 and 16 illustrate a single device according to the invention 1, 3 used advantageously in near field imaging.
  • the imaging system 19 which integrates a single device 1, 3 without antenna allows a coherent detection in near field and without the use of a coupler and a detector as in the systems according to the state of the art in which a detector is a coupler are necessary for the operation of the near-field system.
  • the invention described in the present application makes it possible to dispense with these components greatly simplifying near-field imaging.
  • a coupler is a device that can only operate on a small frequency bandwidth.
  • the unique device 1, 3 of the imaging system uses the reciprocity of the transmission lines 20 to and from the sensitive area 21 of the evanescent wave fields 22.
  • the device 1, 3 used in a near-field system can be integrated in both pixels and multi-pixels to create an imager-type device.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, sub-millimétriques ou millimétriques, de préférence Térahertz, selon lequel on utilise un seul dispositif électronique (1, 3) en tant que source de génération et en tant que détecteur des ondes émises depuis la source. Elle concerne également le système associé.

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE GENERATION ET DE DETECTION D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES CENTIMETRIQUES, MILLIMETRIQUES OU
SUBMILLIME TRIQUES, NOTAMMENT TERAHERTZ
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé et un système de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, millimétriques ou submillimétriques, de préférence dans le domaine Térahertz.
Le domaine des Térahertz désigne les ondes électromagnétiques dont la fréquence s'étend de 100 GHz (Gigahertz) à 30 THz (TéraHertz), pour des longueurs d'onde millimétriques ou submillimétriques, typiquement comprise entre 30 μιη et 3mm.
De manière générale, l'invention vise à rendre plus simples, plus compacts et moins coûteux les systèmes de génération et de détection d'ondes Térahertz.
Etat de la technique
Les ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques peuvent être générées et détectées par plusieurs dispositifs qui peuvent être classés en fonction de leurs caractéristiques et paramètres en trois catégories : les dispositifs que l'on désigne ci-après thermiques, ceux optiques et enfin les dispositifs électroniques.
En ce qui concerne les dispositifs thermiques, les sources de chaleur sont des générateurs naturels d'ondes millimétriques et submillimétriques. Le corps noir est une source de radiations à large spectre. Des filtres peuvent être employés pour filtrer les ondes millimétriques et submillimétriques.
Parmi les détecteurs thermiques qui convertissent les ondes millimétriques et submillimétriques en énergie thermique, on peut citer les bolo mètres, les dispositifs dits pyroélectriques, i.e. en un matériau dans lequel un changement de température entraine une variation de polarisation électrique, et les cellules de Golay qui sont un type de détecteurs opto-acoustique principalement utilisé en spectroscopie infrarouge. Des détecteurs thermiques sont ainsi utilisés afin de détecter les variations de température, et pour certains, détecter passivement des ondes millimétriques et submillimétriques émises par l'environnement. Ils sont alors sensibles aux ondes infrarouges et nécessitent l'emploi de filtres. De plus, les variations de température sont soumises à des lois de dissipation thermique qui rendent le temps de réponse de ces détecteurs thermiques, long : [1]. On a représenté schématiquement en figure 1, un système thermique dans laquelle la source 1 d'émission THz est l'environnement naturel et les ondes THz réémises par un objet 2 par réflexion ou par un objet 2' par transmission peuvent être détectées par un détecteur thermique comme un bolomètre 3. Dans l'exemple illustré, le bolomètre peut être intégré comme module de caméra, qui comprend un objectif 30 et une matrice à plan focal 31 comprenant une pluralité de détecteurs de rayonnement.
Il existe deux types de sources optiques d'ondes millimétriques et submillimétriques: celles émettant des ondes continues (« Continues Wave » en anglais d'acronyme CW) et celles émettant des ondes puisées. Parmi les sources CW, on peut citer les sources à gaz basse pression excitées par des lasers C02 ou les photo-mixeurs utilisés également comme détecteurs CW.
Les lasers à cascade quantique (abrégé QCL pour « Quantum Cascade Laser » en anglais) peuvent fonctionnés aussi bien en mode CW qu'en mode puisé. Les spectromètres dans le domaine temporel (abrégé TDS pour « time domain spectroscopy ») sont des générateurs puisés, utilisés comme des sources larges bande.
La publication [3] décrit un laser à cascade quantique dont la source et le détecteur sont combinées au sein d'un dispositif. Les inconvénients du dispositif divulgué sont nombreux parmi lesquels on peut citer :
- la nécessité de réaliser un refroidissement cryogénique pour le fonctionnement,
- une dissipation de puissance en courant continu élevée,
- une réalisation en technologie de couches minces difficile à mettre en œuvre,
- un signal de sortie très irrégulier. En effet, du fait de la dispersion d'ondes dans les un laser à cascade quantique, le faisceau est non contrôlé ce qui se traduit par une irrégularité.
En ce qui concerne enfin les dispositifs électroniques, il existe une variété de sources électroniques telles que les oscillateurs à onde arrière (abrégé BWO pour « Backward Wave Oscillators » en anglais) et les gyrotrons, comme décrits dans la publication [3], qui nécessitent un champ magnétique intense pour fonctionner.
Cependant, le marché est actuellement dominé par les sources multiplixées basées sur les diodes à effet Gunn ou à effet Tunnel. Ces sources sont relativement compactes en comparaison aux BWO et aux gyrotrons, sont fabriquées en technologie diode III-V, et utilisent par contre des technologies de guide d'onde qui peuvent être difficiles à intégrer.
Ces dernières années, un intérêt particulier est apporté pour la technologie intégrée silicium dans le domaine des ondes millimétriques et sub-millimétriques. La technologie silicium est disponible, robuste, et bon marché.
Les premiers brevets, parmi lesquels on peut citer le brevet US 8330111B2, qui sont relatifs aux les dispositifs de détection d'ondes millimétriques et submillimétriques en technologie silicium concernent les détecteurs de puissance directe. Le fonctionnement de ces détecteurs consiste à utiliser les propriétés de rectification de signal de transistors au-delà des fréquences de coupures (fT /fmax). Ces détecteurs sont intégrés avec une antenne et un circuit de lecture.
La demande de brevet US 2014/0091376 divulgue une optimisation de ce type de détecteurs.
Le brevet US 8907284B2 divulgue une intégration de ce type de détecteurs sous la forme d'une caméra.
Les détecteurs hétérodynes sont quant à eux plus sensibles que les détecteurs de puissance directe. Le fonctionnement des détecteurs hétérodynes consiste à transposer l'énergie d'une partie du spectre à plus basse fréquence (dite « intermédiaire ») avant de la détecter. Ainsi, un détecteur hétérodyne comprend un mélangeur (« mixer » en anglais) et un oscillateur local (« Local Oscillator » en anglais) qui agit comme référence d'ondes millimétrique ou submillimétrique de référence. Lorsqu'une source extérieure excite l'entrée du mélangeur, usuellement notée RF pour signal Radio Fréquence, une fréquence intermédiaire usuellement notée FI pour signal à Fréquence Intermédiaire (ou IF acronyme anglais de « Intermediate Frequency ») est collecté a la sortie. Un tel fonctionnement est par exemple décrit dans la demande de brevet US 2014/070893.
De plus, les dispositifs hétérodynes nécessitent une source d'onde millimétrique ou submillimétrique pour fonctionner. La limite pour réaliser les sources d'ondes millimétriques ou submillimétriques en technologie silicium est la fréquence de coupure des composants (fT /fmax).
Des systèmes harmoniques sont alors mis en oeuvre, ils peuvent être de type à oscillateur libre, comme décrits dans les publications [4, 5], de type à oscillateur verrouillé comme décrit dans la publication [6] ou à chaîne de multiplication, comme décrit dans la publication [7].
On a représenté schématiquement en figure 2, le principe de fonctionnement d'un dispositif électronique THz avec harmoniques selon la publication [5] : il s'agit d'éclairer de manière non focalisée un objet 2 à l'aide d'une source d'émission THz 1 pour une imagerie active en mode transmission. La matrice de source 11 émet ainsi des ondes millimétriques et submillimétriques que l'objectif 10 transmet à l'objet éclairé 2. Les ondes millimétriques et submillimétriques réémises par l'objet 2 sont captées par l'objectif 30 du détecteur (objectif) 3 puis détectés par la matrice plan focal 31. Autrement dit, dans ce cas, la matrice de source 11 qui peut être programmée, fournit un rétroéclairage à la matrice de plan focal 31. Selon les auteurs de cette publication [5], cela a pour avantage de permettre à une caméra vidéo, de type CMOS d'acquérir les images en temps réel sans avoir besoin de balayage ou d'orientation de faisceau.
Les inconvénients de tous les dispositifs de génération et de détection des ondes millimétriques et submillimétriques existantes sont nombreux.
Tout d'abord, les performances des dispositifs de détection réalisés en technologie silicium sont jusqu'à ce jour limitées. Il est donc nécessaire de les associer nécessairement à des dispositifs d'émission.
Dans le cas où un dispositif de détection cohérente est nécessaire, il est également difficile de faire parvenir au détecteur comme à la source la même référence d'ondes.
De plus, quel que soit le type de détecteurs existants, ils ne permettent pas l'extraction de changement de phase ou de fréquence des sources THz détectées.
Enfin, quel que soit le type de générateurs et de détecteurs existants, tous les systèmes qui ont été mis en œuvre jusqu'à ce jour, n'ont été envisagés qu'avec deux dispositifs distincts, à savoir un pour l'émission et un autre pour la détection. Or, mettre en œuvre deux dispositifs distincts implique une difficulté de mise au point, un coût élevé et au final un système complexe.
Il existe donc un besoin pour améliorer les systèmes de génération et de détection d'ondes millimétriques et submillimétriques (THz), notamment afin de permettre une détection cohérente avec la même référence d'ondes que la source, de permettre l'extraction par le détecteur, de changement de phase ou de fréquence des sources et de simplifier leur mise en œuvre et de réduire leur coût.
Le but de l'invention est de répondre au moins en partie ce besoin.
Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention a pour objet selon un aspect, un procédé de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, sub-millimétriques ou millimétriques, de préférence Térahertz, selon lequel on utilise un seul dispositif électronique en tant que source de génération et en tant que détecteur des ondes émises depuis la source.
L'invention a également pour objet un système de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, sub-millimétriques ou millimétriques, de préférence Térahertz, comprenant un seul dispositif électronique constituant à la fois une source de génération et le détecteur des ondes émises depuis la source.
Par « dispositif électronique », on entend un dispositif dont les composants sont réalisés en technologie d'intégration 3D des composants. Les technologies d'intégrations sont multiples. Un exemple est la technologie CMOS (acronyme anglais de « Complementary Métal Oxide Semiconductor ») mais l'invention ne se restreint pas à cette technologie est peut être appliquée pour n'importe quel composant électronique. Un autre exemple d'intégration est la technologie de diode III-V ou encore une technologie d'intégration à très grande échelle (ou VLSI pour « Very-Large-Scale Intégration" en anglais) ou encore une technologie d'intégration des transistors bipolaires à hétérojonction (HBT, de l'anglais « Hetero-junction Bipolar Transistor »).
De manière surprenante, l'inventeur à penser à réaliser la génération et la détection d'ondes centimétriques, millimétriques ou submillimétriques avec le même dispositif électronique.
L'inventeur a ainsi vaincu un préjugé universel dans le domaine des ondes THz selon lequel en termes de conception des systèmes, il était impératif de concevoir une source d'émission indépendamment du détecteur.
Autrement dit, tous les concepteurs de systèmes THz ont jusqu'à présent pensé que tels systèmes ne pouvaient être mis en œuvre qu'avec deux dispositifs distincts, à savoir une source d'émission et un détecteur. Les avantages de l'invention sont nombreux parmi lesquels on peut énumérer ceux qui suivent.
Le principal avantage d'un système selon l'invention est la simplicité de mise en œuvre avec notamment un montage optique simplifié, la compacité et le coût nécessairement réduits par rapport aux systèmes THz selon l'état de l'art.
Par ailleurs, l'invention évite d'avoir à mettre au point deux chaînes de traitement d'ondes distinctes, ou à utiliser un diplexeur, i.e. un dispositif passif de télécommunications pour fréquences THz, à deux voies dont chacune avec un filtrage de fréquences, sans recouvrement des bandes passantes, et à trois portes, l'une étant commune aux deux voies, et les deux autres étant isolées l'une par rapport à l'autre, et terminant respectivement chacune des voies.
Le système selon l'invention peut fonctionner à température ambiante, et peut être intégrée dans une configuration multi- pixel de type caméra.
L'émission et la détection d'une même onde selon l'invention permet d'envisager une détection cohérente, avec la possibilité de détecter l'amplitude de l'onde, mais également sa phase. Si une source à fréquence variable est utilisée, alors elle peut être employée pour la détection de distance (radar), mais également à l'extraction des propriétés diélectriques de divers matériaux.
Par « rayonnement THz cohérent », on entend ici et dans le cadre de l'invention, soit à un rayonnement monochromatique de grande pureté spectrale, soit à une impulsion THz dont les différentes composantes spectrales ont une relation de phase bien déterminée qui conditionne la forme temporelle de l'impulsion.
Enfin un système selon l'invention peut avoir une taille de matrice modulable en émission et en détection. Cela permet une intégration de type imageur.
Selon un premier mode de réalisation avantageux, le système peut comprendre au moins une source d'alimentation en courant alternatif à fréquence réglable équipée d'une antenne.
On peut prévoir deux sources d'alimentation en courant alternatif à fréquence réglable avec miroirs de courant.
Selon ce premier mode, on peut envisager différentes variantes avantageuses avec au choix : - un T de polarisation relié entre l'antenne et un amplificateur de courant à faible impédance lui-même relié à une source de tension, la sortie de l'amplificateur définissant la sortie de détection du dispositif,
- un T de polarisation relié entre l'antenne et un amplificateur de courant à impédance élevée lui-même relié à une source de courant, la sortie de l'amplificateur définissant la sortie de détection du dispositif,
- une antenne différentielle mise à la terre reliée à un amplificateur de courant à faible impédance lui-même relié à une source de tension, la sortie de l'amplificateur définissant la sortie de détection du dispositif. L'avantage de cette variante est l'absence de T de polarisation,
- une antenne différentielle mise à la terre reliée à un amplificateur de courant à impédance élevée lui-même relié à une source de courant, la sortie de l'amplificateur définissant la sortie de détection du dispositif.
L'avantage des systèmes selon le premier mode est l'intégration en circuit avec une interface à blocs analogiques et digitaux pour le traitement du signal.
Selon un deuxième mode de réalisation, le système peut comprendre au moins une source de fréquence équipé d'une antenne. Selon ce deuxième mode, on peut prévoir deux sources de fréquence différentiels de type "N-push" équipés d'une antenne différentielle. L'invention ne se limite pas à ce type de sources. D'autre oscillateurs peuvent "être utilisés, comme par exemple des oscillateurs linéaires comme des oscillateurs dits d'Armstrong d'Hartley, de Colpitts, de Clapp, de Pierce à déphasage, à pont de Wien, de type LC couplés en croix, de Robinson ou des oscillateurs non linéaires ou à relaxation, tels qu'un multivibrateur, oscillateur à lampe à néon, oscillateur en anneau, dit de Royer ou encore un oscillateur dit à ligne de retard.
Le système selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs chaînes de multiplication de fréquence avec un circuit tampon.
Avantageusement, le système peut comprendre une ou plusieurs antennes à faisceau orientable par un circuit de contrôle électrique. Il est ainsi possible de créer des images en temps réel en combinant l'orientation à souhait du faisceau émis/reçu par l'antenne avec une génération et détection à partir d'un même dispositif. L'invention concerne également l'utilisation du procédé ou d'un système selon l'une des revendications décrits précédemment pour l'imagerie, notamment l'imagerie en champ proche.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique d'un système de génération et de détection d'ondes millimétriques et submillimétriques selon l'état de l'art, avec l'environnement en tant que source d'émission,
- la figure 2 est une vue schématique d'un autre système de génération et de détection d'ondes millimétriques et submillimétriques selon l'état de l'art, avec un éclairage non focalisé sur un objet,
- la figure 3 est une vue schématique d'un premier système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention,
- la figure 4 est une vue schématique d'un deuxième système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention,
- la figure 5 est une vue schématique d'un troisième système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention,
- la figure 6 est une vue schématique d'un quatrième système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention,
- les figures 7 et 8 sont des vues schématiques de variantes de système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention, dans lesquelles le dispositif unique est un oscillateur harmonique avec respectivement une antenne et une antenne différentielle,
- la figure 9 est une vue schématique d'un système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention, avec un oscillateur harmonique permettant la détection possible des variations de phases et d'amplitude des ondes,
- la figure 10 est une vue schématique d'une variante d'un système de génération et de détection d'ondes millimétriques et submillimétriques selon l'invention, avec un circuit de lecture amélioré,
- les figures 1 1 et 12 sont des vues schématiques de variantes de système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention, dans lesquelles le dispositif unique comporte un circuit tampon avec respectivement une antenne et une antenne différentielle,
- la figure 13 est une vue schématique d'une variante d'un système de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques et submillimétriques selon l'invention, utilisant un ensemble d'antennes à faisceau orientable par un circuit de contrôle électrique,
- la figure 14 montre schématiquement la reconstruction d'une image à partir d'un faisceau orientable émis et reçu depuis l'ensemble de la figure 13,
- les figures 15 et 16 sont respectivement des vues de dessus et de côté d'un système pour l'imagerie en champ proche sans coupleur intégrant un dispositif d'émission/réception unique selon l'invention.
Les figures 1 et 2 relatives à l'état de l'art ont déjà été décrites en détail en préambule. Elles ne sont pas commentées ci-après.
Dans l'ensemble des exemples illustrés, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques.
Tous les systèmes de génération et de détection d'ondes centimétriques, millimétriques ou submillimétriques (THz) selon l'invention, comprennent un seul dispositif 1, 3 constituant à la fois une source d'émission de ces ondes et le détecteur des ondes émises par la source.
Dans le dispositif unique, on détecte avec un circuit de lecture à fréquence FI, les variations de courant ou de tension du circuit d'alimentation par exemple.
Comme illustré aux figures 3 à 6, le dispositif unique 1, 3 selon l'invention permet d'émettre des ondes THz qui, à la surface d'un objet 2 placé a une certaine distance sont réémises, soit en étant réfléchies directement, soit en étant absorbées puis réfléchies, les ondes ainsi réémises étant détectées par le même dispositif électronique. Tout matériau métallique ou diélectrique d'objet 2 peut réfléchir avec ou sans absorption les ondes THz.
Autrement dit, la source même est utilisée également en tant que détecteur de l'onde générée ayant été réfléchie. Le dispositif électronique 1, 3 selon l'invention peut alors non seulement détecter l'amplitude de l'onde (puissance) mais également sa phase.
Le circuit de lecture est employé afin de détecter les variations de courant (figures 3 et 5) ou de tension (figures 4 et 6).
Comme illustré en figure 1, le dispositif électronique unique 1, 3 comprend une source d'alimentation en courant alternatif à fréquence réglable 4 reliée à une antenne 6. Un T de polarisation 5 est relié entre l'antenne 6 et un amplificateur de courant à faible impédance 8 lui-même relié à une source de tension 7. La sortie 80 de l'amplificateur 8 définit la sortie de détection du dispositif.
En lieu et place de l'amplificateur de courant 8 à faible impédance et la source de tension 7, on peut prévoir un amplificateur de courant 8' à impédance élevée et une source de courant 7' (figure 4). Un bloc redresseur de courant continu 12 peut être prévu en entrée d'amplificateur 8' (figure 4).
En lieu et place du T de polarisation 5 et de l'antenne simple 6, on peut prévoir une antenne différentielle 9 avec mise à la terre 13 (figures 5 et 6).
La source peut être un oscillateur harmonique 14 équipé d'une antenne 6 (figure 7). Cette antenne 6 peut être intégrée ou un composant discret, de type Patch, ou ayant des propriétés de radiation à travers le substrat, ou mettant en oeuvre une lentille.
L'oscillateur harmonique peut consister en oscillateurs différentiels 14.1, 14.2 de type "N-push" équipés d'une antenne différentielle 9 (figure 8). Comme illustré en figure 8, les deux oscillateurs 14.1, 14.2 permettent d'obtenir un décalage de phase de 180°.
A l'interface entre générateur et détecteur, il existe une fonction de transmission et de réflexion. Les ondes émises par la source 1 puis réfléchies sont alors retransmises dans le transistor. Le transistor est soit un générateur de mode fondamental, soit un détecteur du Neme harmonique réfléchi à l'interface entre le noeud commun et l'antenne 6 ou 9 par exemple. Comme l'antenne est un dispositif réciproque, i.e. qui émet et reçoit de la même manière les ondes, il est alors possible de détecter des variations d'amplitude et de phase des ondes réfléchies, comme illustré en figure 9. D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Une amélioration envisagée peut être apportée au niveau du circuit de lecture. Ainsi, des sources de courants 4.1, 4.2 avec miroirs de courant 15 peuvent être intégrées, un pixel de référence (« blind pixel » en anglais) peut être utilisé afin de diminuer les décalages, et plus efficacement amplifier la tension du détecteur (figure 10).
On peut aussi envisager un système digital de CDS (acronyme anglais « correlated double sampling ») peut également être mis en oeuvre pour le circuit de lecture.
Une des variantes de l'invention peut consister en l'utilisation d'oscillateurs fondamentaux, ou de chaînes de multiplication de fréquence avec un circuit tampon. Le circuit tampon 16, 16.1, 16.2 peut être utilisé comme un circuit de détection (figures 11 et 12).
On a illustré en figure 13, une variante avantageuse selon laquelle le dispositif selon l'invention comprend un ensemble d'antennes 6' à faisceau électromagnétique orientable par un circuit contrôle électrique adapté 17. On peut prévoir une seule antenne 6' à faisceau à orientation variable.
Cette variante est avantageuse car il est possible de créer des images en temps réel en combinant l'orientation à souhait du faisceau émis/reçu par l'antenne avec une génération et détection à partir d'un même dispositif.
En plus, on peut moduler la fréquence d'une ou plusieurs antennes 6' à faisceau orientable.
La figure 14 montre schématiquement la reconstruction d'une image qu'il est possible d'obtenir dans le circuit de lecture 18 à partir d'un faisceau à orientation variable émis/capté par l'ensemble d'antennes 6'.
Des images de qualité ainsi créées peuvent être obtenues avec un nombre de pixels très important. Autrement dit, avec un tel dispositif on peut obtenir des tailles d'image importantes avec pourtant une faible taille d'émetteur/récepteur.
De nombreuses applications peuvent être envisagées pour l'invention parmi lesquelles on peut citer l'interférométrie, la mesure de vitesse et de vibration, l'extraction des propriétés diélectriques complexe des matériaux, les radars à ondes entretenues (« Radar Frequency modulated Continues Wave » en anglais, abrégé FMCW), les radars à synthèse d'ouverture (« Synthetic Aperture Radar » en anglais, abrégé SAR) et les radars à synthèse d'ouverture inverse (« Inverse Synthetic Aperature Radar » en anglais, abrégé ISAR), l'imagerie en champs proche (« Near-fîeld Imaging » en anglais), le contrôle de qualité, le contrôle de sécurité.
Une application particulièrement intéressante est l'imagerie en particulier l'imagerie dentaire, en particulier pour les dents d'enfant, où la compacité du système selon l'invention lui permet d'être introduit dans la bouche d'un enfant et d'assurer à la fois l'émission et la détection d'ondes Thz.
Les figures 15 et 16 illustrent un dispositif unique selon l'invention 1, 3 utilisé avantageusement en imagerie en champ proche.
Le système d'imagerie 19 qui intègre un dispositif unique 1, 3 sans antenne permet une détection cohérente en champ proche et sans l'utilisation d'un coupleur et d'un détecteur comme dans les systèmes selon l'état de l'art dans lesquels un détecteur est un coupleur sont nécessaires au fonctionnement du système en champs proche. L'invention décrite dans la présente demande permet de s'affranchir de ces composants simplifiant grandement l'imagerie en champs proche.
Or s'affranchir d'un coupleur est un avantage conséquent. En effet, intrinsèquement un coupleur est un dispositif qui ne peut fonctionner que sur une faible largeur de bande de fréquences.
Ainsi, grâce au dispositif selon l'invention, on peut obtenir une détection cohérente en champ proche sur une grande largeur de bande de fréquences.
Le dispositif 1, 3 unique du système d'imagerie utilise la réciprocité des lignes transmission 20 depuis et vers la zone sensible 21 des champs d'ondes évanescentes 22.
Le dispositif 1, 3 utilisé dans un système en champ proche peut être intégré aussi bien en pixels qu'en multi-pixels pour créer un dispositif de type imageur.
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[5] : U. Pfeiffer, Y. Zhao, J. Grzyb, R. Al Hadi, N. Sarmah, W. Forster, H. Rucker, and B. Heinemann, "A 0.53 thz reconfigurable source module with up to 1 mw radiated power for diffuse illumination in terahertz imaging applications,'" Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 49, no. 12, pp. 2938-2950, Dec 2014.
[6] : Y. Tousi and E. Afshari, "14.6 a scalable thz 2d phased array with 17dbm of eirp at 338ghz in 65nm bulk cmos," in Solid-State Circuits Conférence Digest of Technical Papers (ISSCC), 2014 IEEE International, Feb 2014, pp. 258-259.
[7] : E. Ojefors, J. Grzyb, Y. Zhao, B. Heinemann, B. Tillack, and U. Pfeiffer, "A 820ghz sige chipset for terahertz active imaging applications," in Solid-State Circuits Conférence Digest of Technical Papers (ISSCC), 2011 IEEE International, Feb 2011, pp. 224-226.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, sub-millimétriques ou millimétriques, de préférence Térahertz, selon lequel on utilise un seul dispositif électronique (1 , 3) en tant que source de génération et en tant que détecteur des ondes émises depuis la source.
2. Système de génération et de détection d'ondes électromagnétiques centimétriques, sub-millimétriques ou millimétriques, de préférence Térahertz, comprenant un dispositif électronique (1, 3) constituant à la fois une source de génération et le détecteur des ondes émises depuis la source.
3. Système selon la revendication 2, comprenant au moins une source d'alimentation en courant alternatif à fréquence réglable (4) équipé d'une antenne (6).
4. Système selon la revendication 3, comprenant deux sources d'alimentation en courant alternatif à fréquence réglable (4.1, 4.2) avec miroirs de courant (15)
5. Système selon la revendication 3, comprenant un T de polarisation (5) relié entre l'antenne (6) et un amplificateur de courant à faible impédance (8) lui-même relié à une source de tension (7), la sortie (80) de l'amplificateur (8) définissant la sortie de détection du dispositif.
6. Système selon la revendication 3, comprenant un T de polarisation (5) relié entre l'antenne (6) et un amplificateur de courant à impédance élevée (8') lui-même relié à une source de courant (7'), la sortie (80) de l'amplificateur (8') définissant la sortie de détection du dispositif.
7. Système selon la revendication 3, comprenant une antenne différentielle (9) mise à la terre (13) reliée à un amplificateur de courant à faible impédance (8) lui-même relié à une source de tension (7), la sortie (80) de l'amplificateur (8) définissant la sortie de détection du dispositif.
8. Système selon la revendication 3, comprenant une antenne différentielle (9) mise à la terre (13) reliée à un amplificateur de courant à impédance élevée (8') lui-même relié à une source de courant (7'), la sortie (80) de l'amplificateur (8') définissant la sortie de détection du dispositif.
9. Système selon la revendication 2, comprenant au moins une source de fréquence
(14) équipé d'une antenne (6).
10. Système selon la revendication 9, comprenant deux sources de fréquence (14.1, 14.2) de type "N-push" équipés d'une antenne différentielle (9).
11. Système selon l'une des revendications 2 à 10, comprenant une ou plusieurs chaînes de multiplication de fréquence avec un circuit tampon (16).
12. Système selon l'une des revendications 2 à 11, comprenant une ou plusieurs antennes (6') à faisceau orientable par un circuit de contrôle électrique (17).
13. Utilisation du procédé selon la revendication 1 ou d'un système selon l'une des revendications 2 à 12 pour l'imagerie, notamment l'imagerie en champ proche.
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