ES2865128T3 - Dispositivo de conmutación de señales de microondas, especialmente de dimensiones nanométricas, y componente electrónico que incorpora dicho dispositivo - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de conmutación de una señal eléctrica controlada por una onda óptica (35) que tiene un estado de paso y un estado abierto, apto para ser insertado en una línea de transmisión de microondas, comprendiendo el dispositivo un sustrato semiconductor (20, 21) en el que están realizadas dos pistas conductoras (32, 33) separadas por un espacio (34) que garantiza un aislamiento eléctrico entre las dos pistas conectadas cada una a un puerto de entrada y de salida (36, 37); finalizando dichas pistas conductoras (32,33) en dicho espacio (34); disminuyendo la anchura de las pistas conductoras (32, 33) desde los puertos de entrada y de salida (36, 37) hasta dicho espacio (34), en el estado de paso, el contacto eléctrico entre las dos pistas se establece iluminando el sustrato en la zona (100) del espacio por medio de la onda óptica, caracterizado porque la geometría de dichas pistas conductoras (32, 33) está definida de tal manera que la impedancia de entrada y la impedancia de salida de dicho dispositivo de conmutación creadas por la iluminación de dicha zona (100) se adaptan a la impedancia de dicha línea de transmisión; dicha impedancia de entrada y dicha impedancia de salida no se adaptan a dicha línea de transmisión en ausencia de iluminación de dicha zona (100).
Description
d e s c r ip c ió n
Dispositivo de conmutación de señales de microondas, especialmente de dimensiones nanométricas, y componente electrónico que incorpora dicho dispositivo
La presente invención se refiere a un dispositivo de conmutación de señales de microondas, en particular de dimensiones nanométricas. La invención se referirá asimismo a un componente electrónico que incorpora dicho dispositivo. Se aplica, en particular, en el ámbito de la conversión analógica / digital para aplicaciones que afecten al ámbito de las telecomunicaciones o al de los sistemas de detección electromagnéticos. Por ejemplo, se aplica a los receptores de microondas que funcionan a frecuencias que corresponden a ondas milimétricas o a receptores de banda instantánea de varios gigahercios.
Con las nuevas aplicaciones de estos ámbitos, las necesidades de ancho de banda aumentan regularmente, al tiempo que se acompañan de una demanda de reducción de costes y, por tanto, de simplificación de la cadena de recepción de las señales RF.
Varios efectos combinados ponen de relieve la necesidad de sistemas de muestreo y conversión de señales analógicas en digitales.
Para procesar digitalmente las señales recibidas, las cadenas receptoras de estos receptores deben tener funciones de conversión analógico-digital.
Así, las telecomunicaciones requieren anchos de banda cada vez más elevados para permitir la transmisión de flujos densos de datos a las redes locales sin hilos (WLAN) en particular. Se puede considerar que para las transmisiones de datos aparece una ley equivalente a la Ley de Moore, a saber, que el flujo de datos de las comunicaciones inalámbricas se duplica cada 18 meses, superando rápidamente la tasa de 1 Gbps.
Debido a las limitaciones intrínsecas del ancho de banda accesible por los convertidores analógica / digital en desarrollo, las cadenas de recepción de microondas requieren funciones complejas y costosas de transposición sin otras alternativas tecnológicas sugeridas hasta la fecha.
En particular, las tecnologías actuales a base de semiconductores no permiten disponer de codificadores analógicos-digitales que funcionen por encima de 2 a 3 GHz con una dinámica elevada, a menudo situada por encima de 50 dB de relación señal/ruido. Es habitual introducir en la cadena de recepción funciones de mezcla de microondas para transponer las señales recibidas a la banda de frecuencia compatible de la entrada de un codificador.
Cuando las frecuencias de entrada son muy altas, es necesario utilizar varias etapas de mezcla, lo que aumenta considerablemente la complejidad de las cadenas de recepción de microondas.
Los dispositivos electrónicos de control óptico pueden utilizarse para realizar las funciones de conmutación o de muestreo necesarias para realizar, en particular, convertidores.
Para utilizar un sistema de recepción analógico, el usuario suele buscar un dispositivo que optimice el rendimiento dinámico, las pérdidas de inserción y el ruido y que tenga la menor potencia óptica de mando posible. En particular, en el caso de un fotointerruptor, esto se traduce en un dispositivo cuyos dos estados controlados ópticamente, el estado de paso y el estado bloqueado, son muy diferentes en el nivel de transmisión, siendo esta diferencia varias decenas de decibelios (dB). Tal interruptor, o conmutador, puede definirse como un dispositivo que comprende dos electrodos que representan un puerto de entrada y un puerto de salida depositados sobre un sustrato fotoconductor, así como una zona de interacción constituida por la zona del sustrato que separa los dos puertos y que, por acción de una onda luminosa, garantiza la continuidad eléctrica entre los dos puertos. El encaminamiento de la onda luminosa de mando hasta la zona del componente en la que interactúa (zona de interacción) para controlar el funcionamiento del componente se realiza generalmente por medio de una fibra óptica. La optimización de la potencia óptica de mando se obtiene mediante la implantación de sistemas que permitan concentrar toda la luz en el área de interacción, con limitaciones del orden de 10 pm para una fibra monomodo y de 50 pm para una fibra multimodo. En la bibliografía se mencionan numerosas investigaciones sobre la realización de fotointerruptores de iluminación por una potencia óptica importante que tiene un modo de funcionamiento ultrarrápido, siendo los tiempos en juego el orden de un picosegundo.
Sin embargo, los dispositivos realizados hasta la fecha presentan características y prestaciones que limitan la frecuencia de uso a frecuencias compatibles con el mejor contraste entre el estado de paso y el estado bloqueado, indicado ON/OFF. Así, Ios dispositivos actuales se limitan a frecuencias del orden de 1 a 2 GHz , siendo sus características y prestaciones las siguientes:
• Contraste ON/OFF débil, del orden de 3 dB a 10 dB a la frecuencia de 20 GHz ;
• Pérdidas de inserción del orden de 30 dB ;
• Potencia óptica de mando elevada, del orden de 100 mW de media.
Para un semiconductor determinado, la reducción de la potencia óptica de mando óptico requiere unas dimensiones mucho más reducidas en la zona iluminada, por ejemplo, de orden nanomométrico.
Un documento FR 2 908 569 divulga un dispositivo de conmutación de una señal eléctrica cuya conducción está controlada por un efecto fotoeléctrico mediante un haz luminoso.
Un objetivo de la invención es, en particular, permitir la realización de dispositivos de conmutación electrónica de control óptico de muy pequeñas dimensiones, por ejemplo, nanométricas, que mejoren el conjunto de las prestaciones mencionadas anteriormente, en términos de potencia, de pérdidas de inserción y de contraste. A tal efecto, la invención tiene por objeto un dispositivo de conmutación de una señal eléctrica controlada por una onda óptica que tiene un estado de paso y un estado abierto tal como se define en la reivindicación 1, apto para ser insertado en una línea de transmisión de microondas, comprendiendo dicho dispositivo un sustrato semiconductor en el que se realizan dos pistas conductoras separadas por un espacio que garantiza un aislamiento eléctrico entre las dos pistas conectadas cada una a un puerto de entrada y de salida, en el estado de paso el contacto eléctrico entre las dos pistas se establece iluminando el sustrato en la zona del espacio por medio de la onda óptica, la impedancia de entrada y la impedancia de salida de dicho dispositivo de conmutación no están adaptadas a la impedancia de la línea de transmisión en estado abierto y están adaptadas a la impedancia de la línea de transmisión en estado de paso.
En el estado abierto, la impedancia de entrada y la impedancia de salida son, por ejemplo, superiores a un kiloohmio.
La anchura de las pistas conductoras disminuye desde los puertos de entrada y salida hasta el espacio, pudiendo la disminución ser lineal. Las pistas tienen de forma ventajosa, por ejemplo, una terminación en el nivel del espacio de dimensión equivalente a la longitud del espacio.
Siendo la estructura del dispositivo es del tipo coplanario, incluye, por ejemplo, un plano de masa en cada lado de las pistas conductoras, permaneciendo la distancia entre los planos de masa y las pistas sustancialmente constante entre los puertos de entrada y de salida y el espacio.
Por ejemplo, la longitud del espacio es inferior a 1 pm, y puede ser del orden de 0,5 pm.
La invención tiene también por objeto un componente electrónico que incorpora un dispositivo según la invención tal como se describe anteriormente. En particular, tal componente tipo puede ser un muestreador bloqueador.
Se presentarán otras características y ventajas de la invención con la siguiente descripción de dibujos anexos que representan:
• la figura 1, una ilustración esquemática de una cadena de recepción;
• las figuras 2a y 2b, un ejemplo de dispositivo de conmutación de mando óptico según la técnica anterior; • las figuras 3a y 3b, un ejemplo de dispositivo de conmutación de mando óptico según la invención;
• la figura 4, otro ejemplo de realización de un dispositivo según la invención en una estructura de tipo coplanario con estrechamiento de masas;
• la figura 5, un ejemplo de realización de un dispositivo según la invención en una estructura tipo microcinta;
• la figura 6, un esquema equivalente de un ejemplo de realización de un dispositivo según la invención en estado abierto que ilustra el cálculo de las dimensiones de dicho dispositivo.
La figura 1 ilustra, de manera esquemática, una cadena de recepción clásica, utilizada en muchos sistemas actuales. Debido a las limitaciones intrínsecas del ancho de banda a las que pueden acceder los convertidores analógico-digital en desarrollo, las cadenas de recepción de microondas requieren funciones complejas y costosas de transposición sin otra alternativa. A s í, la cadena de recepción de la figura 1 comprende un primer mezclador 2 que reduce la frecuencia de la señal en una banda de frecuencia intermedia, a la salida de la antena receptora 1 de la señal de microondas. Un segundo mezclador 4 transpone la señal amplificada 3 en banda base para ser muestreada en alta frecuencia por un muestreador-bloqueador 6 después del filtrado 5, por ejemplo. La señal muestreada se convierte digitalmente mediante un convertidor 7, teniendo en cuenta la señal digital mediante el tratamiento 8.
Los sistemas futuros, incluso más que los sistemas actuales, requerirán receptores que funcionen a muy alta frecuencia, a varias decenas de GHz o a muy ancho de banda instantáneo, por ejemplo 20 GHz . Estos receptores requieren funciones de conmutación muy eficaces. Los dispositivos de conmutación de mando óptico, capaces de conmutar muy rápidamente, pueden responder a estas frecuencias de funcionamiento a condición de que presenten
prestaciones suficientes en el contraste ON/OFF, por ejemplo, superiores a 50 dB. También es necesario que tengan un rendimiento suficiente en cuanto a la potencia óptica necesaria y a las pérdidas de inserción para permitir un funcionamiento aceptable en términos de consumo de energía. Estos conmutadores son una función básica de conmutación para componentes de la cadena de recepción, como por ejemplo tales muestreadores-bloqueadores. También podrán utilizarse para realizar mezcladores, desfasadores y otros componentes que requieran una función de conmutación básica de alta velocidad y alto rendimiento.
En las figuras 2a y 2b se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo de conmutación electrónico de control óptico, según la técnica anterior, la figura 2a representa una vista desde arriba y la figura 2b una vista en sección AA'. El dispositivo comprende un sustrato semiconductor 22, 21 en el que están situadas dos pistas conductoras 22, 23. Por ejemplo, el sustrato semiconductor tiene al menos dos capas. Una primera capa 20 consiste, por ejemplo, en arseniuro de galio (AsGa) semiaislante que sirve de soporte. Para obtener tiempos de respuesta muy cortos, esta primera capa se completa en la superficie con una capa de semiconductor, epitaxial a baja temperatura (AsGa BT). Esta última capa también puede ser dopada.
Las pistas conductoras 22, 23 están colocadas en alineación y se separarán por un espacio 24, llamado brecha aún, sin metalización, de modo que queden aisladas eléctricamente entre sí. Para realizar la función de conmutación, se aporta energía en el sustrato mediante una onda luminosa 25. Esta aportación de energía tiene como consecuencia que el sustrato sea localmente conductor en la zona iluminada 10 por orden de portadores en esta zona, que incluye el espacio 24 que separa las dos pistas conductoras 22, 23. Esta zona 10 se sigue denominando zona de interacción. De este modo se establece una continuidad eléctrica entre estas dos pistas, correspondiente al estado de paso del conmutador. A la inversa, si la zona de interacción 10 deja de estar iluminada, deja de ser conductora y se interrumpe la continuidad eléctrica, estando entonces el conmutador en estado abierto. Las dimensiones típicas pueden ser las siguientes:
• Longitud del espacio 24 = 10 pm
• Anchura de una pista 22, 23 = 10 pm
• Diámetro del área iluminada, área de interacción 10 = 10 pm
La zona de interacción 10 tiene, pues, sustancialmente las dimensiones de las pistas y del espacio.
El conmutador también tiene dos puertos de entrada 26, 27, estando cada puerto conectado a una pista 22, 23. En la práctica, los puertos 26, 27 prolongan, por ejemplo, las pistas. Dos bandas conductoras 28,29 dispuestas a ambos lados de las pistas conductoras 22, 23, y a distancias iguales, están conectadas a un potencial de masa formando así planos de masa. El conmutador tal como se ilustra en las figuras 2a y 2b se inserta en una línea de microondas del tipo de coplanario. Las dimensiones entre las pistas centrales 22, 23 y los planos de masa periférica 28, 29 se definen de tal manera que el conmutador que la impedancia de entrada o de salida del conmutador se adapte a las impedancias características de las líneas de microondas estándar, es decir, 50 ohmios o 75 ohmios, como en todos los conmutadores clásicos. Por ejemplo, la longitud del conmutador que se muestra en la figura 2 es del orden de 1 mm y su anchura del orden de lOo pm. La calidad de la conmutación se caracteriza, en particular, entre el contraste en estado de paso y el contraste en estado abierto, contraste ON/OFF definido anteriormente. Un objetivo de la invención es la realización de un dispositivo de conmutación cuyo rendimiento de microondas se optimiza en el sentido de que maximiza este contraste, correspondiente a la mejora de la relación señal-ruido y, por tanto, de la calidad de conmutación. Por otra parte, la potencia óptica necesaria para el mando debe ser preferiblemente minimizada.
Las figuras 3a y 3b ilustran un ejemplo de la realización de un dispositivo de conmutación según la invención. Como en las figuras 2a y 2b, la figura 3a muestra una vista desde arriba y la figura 3b una vista en sección AA'. El dispositivo siempre tiene un sustrato semiconductor 20, 21, por ejemplo, del tipo de las figuras 2a y 2b, en el que se colocan pistas conductoras 32, 33. La estructura del conmutador es siempre del tipo de coplanario. Así pues, se colocan dos planos de masa 28, 29 en cada lado de las pistas conductoras 32,33.
Según la invención, estas pistas conductoras 32, 33 tienen un perfil particular. Partiendo de los puertos de entrada 36, 37, disminuyen en anchura hasta terminar, por ejemplo, en punta en el espacio 34 que separa estas dos pistas. Como en el caso anterior, un haz óptico 35 ilumina una zona 1OO que abarca este espacio 34. En este ejemplo de realización, las dimensiones típicas pueden ser las siguientes:
• Longitud del espacio 34 = 0,5 pm
• Diámetro de la zona iluminada, zona de interacción 1OO = 1 a 2 pm
• Anchura de una pista conductora 32, 33 en el nivel de espacio: Es inferior a 1 pm.
Estas magnitudes muestran en este ejemplo de realización, las pistas conductoras 32, 33 tienen una terminación de dimensión equivalente a la longitud del espacio, en el nivel del espacio. En otras palabras, la anchura de las pistas
en el nivel de espacio es en el mismo orden de magnitud que la longitud del espacio. Por ejemplo, el ancho de las pistas es sustancialmente igual a 0,5 pm. Para obtener una zona de interacción loo de diámetro tan pequeño y, por lo tanto, confinar el haz en una superficie tan baja, se dispone de medios para orientar y concentrar el haz luminoso 35 hacia esa zona 100.
Por otra parte, según la invención, las impedancias de entrada y de salida del conmutador no están adaptadas cuando éste esté abierto. De este modo, se incrementa el contraste entre el estado de paso y el estado abierto (ON/OFF). En efecto, en este caso se incrementan las pérdidas de inserción en el estado abierto (OFF). La desadaptación de las impedancias de entrada y de salida del conmutador genera reflexiones de señal a su entrada y salida, lo que aumenta las pérdidas de transmisión. Estas pérdidas aumentan el contraste entre el estado de paso y el estado bloqueado, sumándose a la impedancia altamente resistiva de la zona de interacción. Sin embargo, este aumento del contraste entre el estado de paso y el estado abierto requiere que las impedancias de entrada y salida del conmutador sean adecuadas cuando éste está en el estado de paso.
La geometría de las pistas conductoras 32, 33 permite adaptar las impedancias de entrada/salida del conmutador a las impedancias características de las líneas de microondas a las que está conectado, 50 ohm o 75 ohm para las líneas estándar, para el estado de paso y desadaptar estas impedancias para el estado abierto.
A s í, un conmutador de la invención es tal que:
• la impedancia de entrada/salida del conmutador no está adaptada a la impedancia de la línea de transmisión interrumpida si no hay un mando óptico correspondiente al estado abierto;
• la impedancia de entrada/salida del conmutador está adaptada a la impedancia de la línea de transmisión en el estado de paso, en particular la impedancia de línea está adaptada a la resistencia creada por la iluminación de la zona de interacción 100.
Durante la iluminación, la impedancia de la zona de interacción pasa de unos cuantos Kilo-ohm en estado abierto, a unas pocas docenas de ohmios por confinamiento de la zona de iluminación, en el estado de paso. Esta impedancia se convierte entonces en compatible con la impedancia de acceso de las pistas elegida para desajustar el estado abierto (OFF), reduciendo así las reflexiones de señales a lo largo del dispositivo. En particular, el espacio se dimensiona en longitud y anchura para que la impedancia de entrada y la impedancia de salida del conmutador se adecúen a la impedancia característica de la línea de microondas, por ejemplo, a una línea de microondas estándar con úna impedancia característica de 50 ohmios o 75 ohmios. En la práctica, basta con que la impedancia de entrada y la impedancia de salida se aproximen a estos valores, es decir, sean aproximadamente del orden de unas decenas de ohmios.
La figura 4 muestra, en úna vista desde arriba, otro modo de realización posible de un conmutador según la invención, siempre en úna estructura del tipo de coplanario. En este modo de realización, los planos de masa 48, 49 situados en cada lado de las pistas 32, 33 se estrechan en dirección a estas pistas de manera que quede un espacio 41 de anchura constante, o casi, entre ellos y las pistas.
Las figuras 5a y 5b presentan, respectivamente, en úna vista desde arriba y en úna vista en sección AA', un modo de realización posible de un conmutador según la invención. En este ejemplo de realización, la configuración es de tipo microcinta, es decir, que no hay un plano de masa en cada lado de las pistas conductoras 32, 33, sino un plano de masa 50 situado frente a la parte trasera del sustrato de GaAs semiaislante.
La figura 6 muestra el esquema equivalente del conmutador en estado abierto. El esquema equivalente consta de tres capacidades C s , Cpl y Cp2. Las capacidades Cpl y Cp2 representan respectivamente las capacidades de las pistas 22, 33 en relación con un plano de masa. La capacidad C s, conectada entre los extremos de Cpl y Cp2, representa la capacidad del espacio de anchura s . Los valores de estas capacidades dependen de las diferentes dimensiones en juego. Dependen, en particular, del espesor h del sustrato semiconductor, de la anchura s del espacio y de la geometría de las pistas 32, 33. La geometría de las pistas depende, en particular, de la forma en punta de éstas, tal como se ilustra en las figuras 3a, 4 y 5, y en particular de la longitud de la punta y de su anchura máxima.
La impedancia de entrada y salida del conmutador en estado abierto dependen a su vez de estas capacidades. Por lo tanto, se definen las dimensiones que permiten obtener úna desadaptación de las impedancias de entrada y de salida del conmutador.
Otro parámetro de dimensionamiento es el valor de la impedancia de entrada del conmutador en estado de paso. Este se adapta a la línea. En este caso, la capacidad C s del esquema equivalente de la figura 6 se sustituye por úna resistencia que puede calcularse, en particular, en función de la anchura de espacio s y de la anchura del flujo de corriente eléctrica creado durante la iluminación de la zona de espacio. De este modo, se pueden definir las dimensiones y úna geometría de las pistas conductoras en función de las restricciones impuestas, en particular:
• por ejemplo, la anchura del espacio es inferior a 1 pm;
• adaptación de la impedancia de entrada al estado de paso y;
• desadaptación completa en estado abierto.
Las dimensiones del sustrato y la geometría de las pistas pueden calcularse fácilmente mediante simulación.
Un dispositivo según en la invención, como se ha descrito anteriormente, puede incorporarse de forma ventajosa en componentes electrónicos, en particular funcionando en microondas. Un ejemplo ventajoso es el de un muestreador bloqueador que debe funcionar en una banda ancha de frecuencia instantánea. Mediante la incorporación de uno o más dispositivos de conmutación según la invención, se podrán realizar muéstreos de muy alta frecuencia, consumiendo al mismo tiempo poca energía. En efecto, un dispositivo de conmutación según la invención puede garantizar un contraste ON/OFF superior a 30 dB a 20 GHz , por ejemplo, con una potencia óptica de mando reducida a 10 mW de media. Otros componentes electrónicos que requieren funciones de conmutación de alta velocidad pueden incorporar ventajosamente un dispositivo de conmutación según la invención.
Claims (9)
1. Dispositivo de conmutación de una señal eléctrica controlada por una onda óptica (35) que tiene un estado de paso y un estado abierto, apto para ser insertado en una línea de transmisión de microondas, comprendiendo el dispositivo un sustrato semiconductor (20, 21) en el que están realizadas dos pistas conductoras (32, 33) separadas por un espacio (34) que garantiza un aislamiento eléctrico entre las dos pistas conectadas cada una a un puerto de entrada y de salida (36, 37); finalizando dichas pistas conductoras (32,33) en dicho espacio (34); disminuyendo la anchura de las pistas conductoras (32, 33) desde los puertos de entrada y de salida (36, 37) hasta dicho espacio (34), en el estado de paso, el contacto eléctrico entre las dos pistas se establece iluminando el sustrato en la zona (100) del espacio por medio de la onda óptica, caracterizado porque la geometría de dichas pistas conductoras (32, 33) está definida de tal manera que la impedancia de entrada y la impedancia de salida de dicho dispositivo de conmutación creadas por la iluminación de dicha zona (100) se adaptan a la impedancia de dicha línea de transmisión; dicha impedancia de entrada y dicha impedancia de salida no se adaptan a dicha línea de transmisión en ausencia de iluminación de dicha zona (100).
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque en el estado abierto la impedancia de entrada y la impedancia de salida son superiores a un kiloohrnio.
3. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha anchura disminuye de forma lineal.
4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las pistas tienen una terminación al nivel del espacio de dimensión equivalente a longitud del espacio.
5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque su estructura es del tipo coplanaria, comprende un plano de masa (28, 48) en cada lado de las pistas conductoras (32,33), permaneciendo la distancia entre los planos de masa y las pistas sustancialmente constante entre los puertos de entrada y de salida y el espacio.
6. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la longitud del espacio es inferior a 1 pm
7. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque la longitud del espacio es del orden de 0,5 pm.
8. Componente electrónico, caracterizado porque incorpora un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
9. Componente electrónico según la reivindicación 8, caracterizado porque realiza la función de muestreo y bloqueo (6).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR1203563A FR3000327B1 (fr) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Dispositif de commutation de signaux hyperfrequences notamment de dimensions nanometriques, et composant electronique incorporant un tel dispositif |
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