FR2646525A1 - Appareil de commutation a commande photonique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un appareil de commutation à commande photonique. Il comporte un substrat diélectrique 6 produisant un effet photovoltaque, une ou plusieurs paires d'électrodes 12 formées dans ou sur au moins des parties de la ou des surfaces du substrat afin de polariser la partie située entre elles pour constituer un modulateur 10 muni de deux polariseurs 13, 14 dont les directions de polarisation se coupent perpendiculairement ou sont parallèles entre elles, ces polariseurs étant placés sur les surfaces d'incidence et d'émergence d'un faisceau lumineux 11 à moduler. Domaine d'application : modulation et commutation de faisceaux lumineux, etc.
Description
L'invention concerne un appareil de commutation optique à commande
photonique dans lequel un faisceau photonique peut être commandé ou commuté directement uniquement par l'utilisation d'un autre faisceau de lumière, sans modulateur électrique quelconque. Elle a trait en particulier à un obturateur optique à commande photonique qui peut être aisément miniaturisé ou qui peut
être assemblé sous une forme très mince.
Un appareil prototype de commutation optique à commande photonique a été réalisé par l'utilisation d'un élément produisant un effet photovoltaïque en tant qu'élément de commande. Il a été proposé, dans un article "27a-LJ7 "Trial Construction of Whole Light Driven Electro-optical Device", décrit à la page 80 du recueil d'articles d'une conférence de la Japan Physic Society, s'étant tenue au printemps 1987, et dans l'article "Effect of Impurity Doping on Photostriction in Ferroelec-ric Ceramics", décrit dans Sensors and Materials, 1 (!ú--) pages 47-56, un dispositif entièrement commandé par lumière dans lequel un "effet électro-optique" pou modifier l'indice de réfraction de la matière en appliquant un champ électrique à la matière est utilisé en association avec un "effet photovoltaïque de volume" pour générer ou induire la tension photoélectrique dont l'amplitude est bien au-dessus de l'énergie dé bande interdite d'un cristal
piézo-électrique lorsqu'un rayonnement tel qu'un rayonne-
ment ultraviolet est appliqué à la matière polarisée du cristal, ce qui permet de commander un photo-obturateur par la tension photo-électrique induite, et une commutation d'un faisceau lumineux, c'est-à-dire qu'un faisceau de lumière rouge peut être commuté ou modulé, même en l'absence de tout dispositif électrique. Un tel appareil de commutation optique à commande entièrement par la -lumière est représenté sur la figure 1 des dessins annexés décrits ci-après, o un substrat 6 est une lamelle de verre sur
laquelle sont placées deux pièces céramiques photo-
réceptrices (pièces de commande) 1, c'est-à-dire des dispositifs de commande photonique. Le dispositif est mis en oeuvre de manière qu'une tension photovoltaique ou qu'un courant photovoltaique soit généré dans l'élément photorécepteur (pièce de commande) 1 par une excitation due à l'irradiation par la lumière d'une lampe 3 au mercure, puis la force électromotrice générée par cette tension
photovoltaique commande un obturateur de lumière 2.
Deux pièces de commande photonique, c'est-à-
dire les deux éléments photorécepteurs A et B, sont connectées par un circuit électrique pour générer une tension photovoltaique inverse dans chaque élément, puis, lorsque les éléments A et B sont irradiés alternativement par la commutation d'une ou dé plusieurs lampes à mercure, la lumière rouge d'un laser He-Ne peut être commutée ou modulée comme montré sur la figure 2 des dessins annexés pour produire un faisceau lumineux ayant un nombre d'onde correspondant à 0,2 hertz, le rapport signal/bruit étant 23 d'environ 2 dB. La matière pour le ou les éléments photorécepteurs (pièces de commande) est du type P L Z T ( 3 / 5 2 / 4 8) q u i e s t d é s i g n é e Pb097La0 03(Zr0,52Ti0,48)0992503, et la matière pour le photo-obturateur 2 est du type PLZT(9/65/35) qui signifie Pb,La 9(Zr65Ti035)097750 3 En outre, l'effet d'un dopage par impuretés sur la photostriction des céramiques PLZT a été étudié sur un dopage au WO3 pour trouver qu'un dopage inférieur à 1,5 %, en valeur atomique, de WO3 peut améliorer la photostriction en comparaison avec aucun dopage des céramiques PLZT [voir "Effect of Impurity Doping on Photostriction in Ferroelectric Ceramics" de M. Tanimura
et K. Uchino, Sensors and Materials, 1, 46 (1988)].
Cependant, un tel obturateur optique à commande photonique, de réalisation connue, semble avoir les inconvénients suivants:
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(1) Etant donné qu'un élément photorécepteur est placé sur la surface de la matière, le dispositif de commutation optique ne peut pas être miniaturisé ni assemblé sous forme mince; (2) du fait que du plomb est utilisé, le coût d'assemblage est élevé; (3) étant donné qu'un faisceau lumineux de signal rouge (devant être commuté ou modulé) et qu'un faisceau lumineux provenant d'une lampe à mercure pour commander le faisceau du signal arrivent principalement de la même direction, il est nécessaire d'éviter une confusion entre la lumière de commande et un faisceau lumineux devant être modulé; (4) étant donné que le faisceau lumineux à moduler arrive sous la direction le faisant passer à travers le substrat, le faisceau à moduler peut être affecté par le substrat, c'est-à-dire que le substrat doit être transparent et, en outre, si le substrat est en ure matière moins transparente, le rapport signal/bruit c faisceau de signal photonique tel que modulé décroît et, e d'autres termes, le choix de la matière pour le substra_
est réduit.
On a procédé à de nombreux essais pour résoudre ces problèmes de structure et d'assemblage d'un appareil de
commutation optique à commande photonique.
Compte tenu des considérations précédentes, l'invention envisage la réalisation d'un dispositif de commuation optique à commande photonique utilisant une matière piézo-électrique ayant un "effet voltaïque de volume", par exemple une matière du type Pb0,97 La0,03(Zr 0,52Tio,48)0, 992503: PLZT(3/52/48) en tant qu'élément photorécepteur, c'est-à-dire un élément de commande photonique de manière qu'une tension photo-induite soit générée dans l'élément photorécepteur lorsque celui-ci reçoit un rayonnement, la tension photo-induite commandant
un photomodulateur utilisant un "effet électro-optique".
Dans le photomodulateur de l'invention, une lumière de commande peut moduler ou commuter un faisceau lumineux sans aucun amplificateur électrique ni aucun élément mécanique. Le dispositif de l'invention comprend (a) un ou plusieurs éléments destinés à générer une tension photo-électrique par une exposition à la lumière de
commande, (b) un ou plusieurs éléments céramiques électro-
optiques destinés à produire une rotation ou torsion de la
direction de vibration de la lumière polarisée en appli-
quant la tension d'origine photo-électrique, lequel élément est pris en sandwich entre deux polariseurs croisés, afin de produire un obturateur optique, et (c) un ou plusieurs circuits connectant électriquement les électrodes de l'élément photovoltaique aux électrodes de l'élément de rotation. Par conséquent, l'élément photovoltaique produit un effet photovoltaique de volume, et l'expression "effet photovoltaique" désigne alors un phénomène dans lequel une tension est générée dans une matière diélectrique par une 2; exposition à une lumière, en particulier des rayons ultraviolets. L'élément de rotation (électro-optique) à utiliser dans le dispositif de l'invention pour produire une rotation ou une torsion de la direction de vibration de la lumière polarisée présente un "effet électro-optique" ou "effet de Kerr". Par conséquent, l'expression "effet électro-optique" se réfère ci-après à un "effet ou phénomène dans lequel la variation de biréfringence an est occasionnée dans la matière à laquelle la tension ou le champ électrique est appliqué, sous la forme n = -1/2xn03R33E2, o no est l'indice de réfraction, R33 est un indice électro-optique quadratique et E est le champ électrique". Dans l'appareil de commutation de l'invention, la tension photoélectriquede l'ordre de -kV/cm est générée
dans l'élément photovoltaique par exposition à un rayonne-
ment lumineux à haute énergie,; puis est appliquée entre deux électrodes montées sur les surfaces de l'élément électro-optique pour produire la variation de biréfringence afin de provoquer une rotation ou une torsion de la direction de vibration de la lumière polarisée. Si une telle rotation est produite, un obturateur optique peut être réalisé en utilisant deux polariseurs croisés avec
l'élément de rotation pris en sandwich entre les polari-
seurs. Par conséquent, la lumière polarisée arrivant est arrêtée par le second polariseur en l'absence d'une rotation et est transmise par le second polariseur en présence d'une rotation de 90'. L'expression "modulation ou commutation" englobe donc, ci-après, "une commutation, une rotation de la direction de vibration du faisceau lumineux
et un changement de la luminosité du faisceau lumineux".
Un 'objet de la présente invention est de produire un obturateur optique à commande photonique, pouvant être miniaturisé, pouvant être commuté ou commandé
uniquement par un faisceau lumineux.
Un autre objet de l'invention est de propos, un dispositif de commutation optique à commande photoniqut pouvant être aisément miniaturisé, d'un faible poids E.
pouvant être réalisé sous une forme mince et intégrée.
Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif de commutation optique à commande photonique,
laquelle structure peut être fabriquée à bon marché par -
l'utilisation de conducteurs ou de circuits formés sur les surfaces du substrat, et par une diminution du nombre de
ses composants.
Un autre objet de l'invention est de proposer un appareil de commutation optique à commande photonique qui présente des caractéristiques de fonctionnement de
haute valeur, une haute fiabilité et un bon fonctionnement.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en perspective montrant la structure d'un appareil à commande
photonique de l'art antérieur, avec coupe partielle;-
la figure 2 est un graphique indiquant en ordonnées les variations de l'intensité lumineuse d'un faisceau laser émis et, en abscisses, les périodes de temps résultant de l'ensemble du dispositif à commande par la lumière de l'art antérieur; la figure 3 est une vue en plan montrant schématiquement la conception du dispositif de commutation optique à commande photonique selon l'invention; la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un exemple de l'appareil de commutation à commande photonique selon l'invention; la figure 5 est une vue en plan montrant schématiquement un mode de réalisation de l'appareil pour
mesurer les caractéristiques de fonctionnement du dis-
positif de commutation à commande photonique selon l'invention; 2 la figure 6 est une vue schématique en plan montrant un autre exemple du dispositif de commutation optique à commande photonique selon l'invention; la figure 7 est une vue schématique en perspective montrant un autre exemple de l'appareil de
commutation optique à commande photonique selon l'inven-
tion; les figures 8A et 8B montrent schématiquement
en perspective un autre exemple de l'appareil de commuta-
tion optique à commande photonique selon l'invention; la figure 9 est une vue en plan montrant
schématiquement l'autre exemple de réalisation de l'ap-
pareil de commutation optique à commande photonique selon l'invention; et - les figures 10 et 11 sont des graphiques montrant, en ordonnées, la variation du faisceau laser
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modulé de sortie et, en abscisses, la période de temps résultant du dispositif de commutation optique à commande
photonique selon l'invention.
Conformément à la présente invention, un appareil de commutation optique à commande photonique peut moduler ou commuter un faisceau lumineux par l'irradiation d'une ou de plusieurs pièces ou parties photoréceptrices ou de commande photonique, formées sur un substrat. -Dans le dispositif de commutation à commande photonique selon l'invention, un faisceau lumineux peut être commuté ou modulé par la commutation d'un faisceau de lumière ultraviolette pour les éléments de commande photonique
formés sur le substrat.
Le dispositif de l'invention comprend (a) un substrat diélectrique et photovoltaique qui produit un "effet photovoltaique"; (b) un ou plusieurs couples d'électrodes formées dans ou sur au moins des parties de la surface ou des surfaces dudit substrat afin de polariser la ou les parties situées entre ledit ou lesdits couple d'électrodes; (c) un ou plusieurs éléments photorécepteur ou de commande photonique prévus au moins dans la ou le parties polarisées de la surface du substrat diélectrique, ayant une direction de polarisation orientée sous un certain angle et produisant un effet photovoltaique; (d) une matière diélectrique ayant un effet électro-optique, comprenant un modulateur ou passage de commutation d'un faisceau lumineux comportant un couple de polariseurs dont
les directions de polarisation se croisent perpendiculaire-
ment ou sont parallèles entre elles, les polariseurs étant placés sur la surface d'incidence d'un faisceau lumineux à moduler, et à la surface d'émergence du faisceau lumineux, et un couple d'électrodes formé sur un couple des autres surfaces, tournées face à face, de la matière du cristal, pour appliquer un champ électrique à cette matière du cristal; et (e) des conducteurs de connexion reliant électriquement les électrodes du ou des éléments de commande photonique, respectivement, aux électrodes de la matière du cristal; le faisceau lumineux à moduler arrivant à travers le polariseur dans la matière du cristal à travers laquelle le faisceau lumineux passe de
façon à être commuté ou modulé, et le passage de commuta-
tion étant commandé directement par la tension photovoltai-
que générée par le ou les éléments de commande photonique qui peuvent être commandés ou commutés uniquement par l'illumination de rayons ultraviolets sur la surface du ou
des éléments de commande photonique.
La face d'incidence et Ia face d'émergence du faisceau lumineux à moduler dans le modulateur sont sensiblement perpendiculaires à la surface du substrat diélectrique et la face de réception des parties de commande photonique est parallèle à la surface du substrat, de manière que le faisceau lumineux à moduler arrive ou entre depuis la direction dans laquelle il n'est pas possible pour le faisceau d'entrer à travers la surface du ) substrat, et que le faisceau lumineux ultraviolet de commande arrive d'une direction différente de celle du
faisceau lumineux à moduler.
Pour améliorer la tension photovoltaïque dans ce dispositif, le nombre d'éléments photorécepteurs peut être augmenté, ou bien la matière diélectrique à utiliser pour le substrat est modifiée; par exemple, on peut ajouter davantage de W03 à la matière du type
PLZT(3/52/48).
La vitesse de réponse du dispositif peut être améliorée par une amélioration de la topographie du dispositif. La confusion du faisceau lumineux peut être
évitée par une irradiation à partir de directions totale-
ment différentes l'une de l'autre du faisceau d'irradiation
et du faisceau lumineux à commuter.
La substance diélectrique produisant un effet de tension photo-induite à utiliser pour l'appareil à commande photonique doit avoir un effet photovoltaique élevé. La composition la plus avantageuse de la matière est une matière piézo-électrique ayant la formule chimique
Pb 0,97La 0,03(Zr0,52Ti,4), 2503 dopée au W03.
0,97 0,03(Z0,52 0,48>0,9925 3
La matière diélectrique ayant un effet électro-
optique élevé, à utiliser pour le modulateur de lumière conforme à l'invention, doit être d'une haute clarté. La matière la plus avantageuse est un titanate-zirconate de plomb dopé au lanthane, ayant la formule chimique 0,91a (Zr Ti03 Pb0,91La 0,09(Zr0,65Ti 0,35) 0,977503' Conformément à l'invention, un ou plusieurs éléments photorécepteurs sont formés sur la surface d'un substrat diélectrique ayant un "effet photovoltaique", puis une matière céramique ou cristalline, comprenant un passage de commutation ou modulateur de faisceau lumineux est appliquée sur la surface du même substrat, puis ors éléments photorécepteurs et le modulateur peuvent êt aisément connectés électriquement sur le même substrat Puis les éléments photorécepteurs sont irradiés pour générer la tension photo-électrique qui peut commander l'élément de commutation du dispositif de commutation de l'invention et donc l'appareil de commutation selon l'invention peut être commandé ou peut fonctionner
uniquement à l'aide d'un faisceau lumineux, sans utilisa-
tion quelconque d'un amplificateur électrique et, en outre,
sans utilisation quelconque d'autres moyens mécaniques.
La commutation peut être commandée par une irradiation alternée des deux parties photoréceptrices, au moyen d'un procédé à deux faisceaux. Le retard qui apparaît habituellement dans le processus de coupure dû à une faible conductivité d'obscurité peut être évité. Les figures 3 et 4 montrent une structure du dispositif de commutation optique à commande photonique selon l'invention. La réponse
marche/arrêt de la commutation optique à commande photo-
nique est montrée sur les figures 10 et 11. La réponse s'avère donc au moins dix fois plus rapide que celle habituellement présentée par la commutation optique réalisée par les moyens classiques de commutation optique.
La figure 4 montre schématiquement le dis-
positif de commutation optique à commande photonique selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, la référence numérique 6 désigne un substrat diélectrique produisant un effet photovoltaique de volume généré par polarisation, et la référence 7 désigne des conducteurs électriques formés sur la surface du substrat, connectant les électrodes des éléments photorécepteurs A et B, afin que les directions de la polarisation dans les éléments soient en série et que
les électrodes du modulateur soient connectées, respective-
ment, aux électrodes des éléments photorécepteurs.
Un modulateur 10 produisant un effet électro-
Dptique est réalisé sur la surface du substrat 6 dans une orientation telle qu'un faisceau lumineux 11 passe à 2 travers le modulateur 10 parallèlement à la surface du substrat 6, et les électrodes 12 sont formées sur les deux surfaces de la matière diélectrique transparente 10 et sont chargées pour produire un champ électrique dans la direction perpendiculaire à la direction de passage du faisceau lumineux. Chacune des électrodes du modulateur 10 est connectée, respectivement, à chacune des électrodes des éléments photorécepteurs 8 et 9 comme montré sur les dessins. Sur la figure 4, le photomodulateur 10 comporte deux polariseurs 13 et 14 aux deux faces d'incidence et d'émergence du faisceau lumineux 11. La direction de la polarisation des polariseurs forme un angle de 45' avec la direction du champ électrique appliqué, et les directions
se coupent verticalement l'une l'autre à la face d'in-
cidence d'un faisceau lumineux et à la face d'émergence du tl
faisceau modulé.
Une lumière de commande 15 provient avantageu-
sement d'une lampe au mercure, et la surface du substrat
est irradiée verticalement par la lampe au mercure.
Dans une forme de réalisation de l'appareil pour mesurer les caractéristiques de fonctionnement du dispositif de commutation optique à commande photonique selon l'invention telle que montrée sur la figure 5, on désigne en 16 un laser He-Ne émettant un faisceau lumineux destiné à être modulé en un signal lumineux, par la référence numérique 17 un dispositif de détection destiné à mesurer l'intensité du faisceau lumineux modulé et par la
référence numérique 18 un calculateur destiné à enre-
gistrer les données obtenues par la mesure de l'intensité du faisceau lumineux et autres avec le dispositif 17 de détection. En outre, la référence numérique 19 désigne une lampe à mercure destinée à produire un faisceau lumineux de commande 15. Le faisceau lumineux 15 de commande irrite (illumine) l'une ou l'autre des parties photoréceptric=
et 9, ou les deux.
A présent, la figure 6 représente une a schématique en plan montrant un autre exemple du dispositif de commutation optique à commande photonique, dans lequel le photomodulateur 10 est monté sur la face extérieure de la boucle formant les conducteurs 7 connectant les électrodes des parties photoréceptrices 8 et 9 sur la surface du substrat 6. Les deux parties photoréceptrices 8 et 9 sont adjacentes et, par conséquent, il n'est pas nécessaire de dévier fortement le faisceau lumineux 15 de commande pour faire fonctionner le photomodulateur ou le
dispositif de photocommutation.
La figure 7 montre schématiquement un autre exemple de l'appareil de commutation optique à commande photonique selon l'invention, dans lequel le faisceau lumineux 11 à moduler dans le modulateur 10 présente un angle d'incidence perpendiculaire à la direction de polarisation des parties photoréceptrices 8 et 9 formées
sur la surface du substrat.
Les figures 8A et 8B montrent schématiquement un autre exemple de l'appareil à commande photonique selon l'invention, dans lequel le photomodulateur 10 est monté sur la surface du substrat opposée à celle sur laquelle
sont prévues les parties photoréceptrices 8 et 9.
La figure 9 est une vue en plan montrant
schématiquement un autre exemple de l'appareil de commuta-
tion optique à commande photonique selon l'invention, dans lequel les polarisations des parties 8 et 9 de commande photonique sont parallèles entre elles sur la surface du substrat 6, et les électrodes des parties de commande photonique sont connectées en parallèle comme montré sur les dessins. Le temps de réponse est donc égal à la moitié du temps de réponse que l'on obtient avec une seule partie de commande photonique et, en d'autres termes, la vitesse de fonctionnement du modulateur à commande photonique est 2 double de celle de la partie de commande photonique
habituelle située sur le substrat.
Le principe du modulateur à commande photonique selon l'invention sera expliqué ci-après au moyen du
dispositif de mesure tel que montré sur la figure 5.
Lorsqu'un champ électrique n'est pas appliqué dans le modulateur 10 par l'application d'une tension électrique aux électrodes 12, le faisceau lumineux 11 ne peut pas entrer dans le modulateur 10, car les polariseurs 13 et 14 sont mutuellement orthogonaux, c'est-à-dire que leurs directions sont perpendiculaires entre elles. Par conséquent, le faisceau lumineux 11 ne peut pas être modulé
dans ce cas.
A présent, lorsque la partie photoréceptrice 8 est irradiée avec un faisceau lumineux 15 provenant d'une lampe à mercure 19, la tension générée due à un effet voltaïque de photostriction de volume est appliquée aux électrodes du photomodulateur 10 par l'intermédiaire des conducteurs 7, et, le faisceau lumineux 11 étant polarisé linéairement avec le polariseur 13 à la face d'incidence du modulateur 10, il pénètre alors dans et passe à travers le modulateur 10 auquel le champ est appliqué afin de produire une composante de lumière capable de franchir le polariseur 14 à la face d'émergence du modulateur 10, ce qui permet
d'obtenir le faisceau lumineux émergent.
Ensuite, lorsque la partie photoréceptrice n'est pas irradiée, le modulateur 10 est à l'arrêt ou dans l'état hors (ce qui signifie que le faisceau lumineux 11 n'atteint pas le dispositif 17) et, lorsque la partie photoréceptrice est irradiée, le modulateur est en marche ou dans l'état en (ce qui signifie que le faisceau lumineux 11 passe à travers le modulateur), de manière que le faisceau lumineux 11 puisse être commandé ou modulé pour produire un faisceau lumineux de signal en travaillant -c
la lumière d'entrée 11.
Dans l'explication ci-dessus, le fonctionne} du modulateur de l'invention est illustré dans le cas
les polariseurs sont orthognaux (à 90 ) l'un par rappor-
l'autre; le modulateur peut être mis en oeuvre dans d'autres cas, par exemple dans le cas o les polariseurs sont parallèles entre eux. Dans ce cas, lorsque la partie photoréceptrice n'est pas irradiée, le faisceau lumineux peut passer à travers le modulateur pour être dans l'état "en" et lorsque la partie photoréceptrice est irradiée par une lampe à mercure, le modulateur est "hors". Ceci est à
l'inverse du premier cas.
A présent, le faisceau lumineux 15 provenant d'une lampe à mercure 19 est dévié vers l'autre partie photoréceptrice 9 et, alors, la tension photoélectrique inverse de la tension photo-électrique présente dans la partie 8 est généree, car la polarisation Ps de la partie 9 est opposée à celle de la partie 8. Par conséquent, l'élément photo-obturateur 10 étant dans l'état "en" peut être amené dans l'état "hors" par l'application d'une
tension inverse de la tension de la partie 8, aux élec-
trodes de l'élément photo-obturateur 10. Le passage du faisceau lumineux 15 de commande peut alors être dévié ou modifié sur les parties 8 ou 9 afin de moduler ou de commander le faisceau lumineux 11. En conséquence, on obtient un modulateur d'un faisceau lumineux 11 en
travaillant sur l'autre faisceau lumineux 15.
Les figures 10 et 11 montrent des graphiques dont les coordonnées indiquent la variation en sortie du faisceau laser modulé et les périodes de temps dans l'état en, ou en marche, obtenues avec le dispositif à commande
photonique selon l'invention.
L'invention est davantage illustrée par les exemples suivants destinés à montrer la structure de l'appareil à commande photonique selon l'invention, mais à
titre nullement limitatif.
2 EXEMPLE 1
r Commutation en-horsI Un dispositif de commande photonique ayant la structure telle que montrée sur la figure 4 a été fabriqué de la manière suivante: Tout d'abord, un substrat céramique 6 a été réalisé dans une plaque de 2,5 cm x 2,5 cm ayant la composition suivant: titanatezirconate de plomb dans la proportion du Zr au Ti de 52 à 48, dans lequel 3 %, en valeur atomique, de La sont substitués à la place du site du Pb, et ayant la formule: Pb0,97La 0,03(Zr 0,52Ti0,48)0,992503 [désignée ciaprès PLZT(3/52/48)], qui est une composition d'une plaque frittée, qui a été utilisée en tant que substrat 6 et sur la surface de laquelle on a réalisé un ou plusieurs dessins de circuits 7, comme montré sur la figure 4, par impression d'une pâte d'argent-palladium et cuisson
pour former les circuits imprimés 7.
Des éléments photorécepteurs (dispositifs à réponse photovoltaique) 8 et 9 ont été formés, avec un écartement d'électrodes de 16 mm et une dimension d'élec-
trode de 5 mm x 1 mm, ainsi qu'avec deux couples d'élec-
trodes 21 et 22.
Puis une matière céramique dont la composition a pour formule: Pb0,91La0, 09(Zr0,56Ti0,35)0,977503 [appelée ci-après PLZT(9/65/35)], dans laquelle 9 % de La, en valeur atomique, sont substitués à la place du site du Pb sur un cristal de titanate-zirconate de plomb, avec un
rapport du Zr au Ti de 65:35, lequel cristal est transpa-
rent et a pour dimensions 2,5 mm x 4 mm x 15 mm, a été produite. Puis une pâte d'argent-palladium est appliquée sur les deux surfaces de 4 mm x 15 mm et cuite pour former
les électrodes 12. Les deux surfaces 13 et 14 per:-en-
diculaires aux surfaces des électrodes ont été polies a.
de former un couple de surfaces 13 et 14 ayant}ô: dimensions 2,5 mm x 4 mm à utiliser en tant que signal réception et d'émission de signaux delumière, ces surfaces étant suffisamment polies pour que le signal de lumière 11
ne puisse pas être dispersé aux surfaces.
Le cristal résultant 10 a été monté sur la surface du substrat 6 de la composition PLZT(3/52/48), comme montré sur la figure 4, et relié au moyen d'un agent
adhésif à la surface.
Sur les deux surfaces polies du cristal 10, on a placé deux polariseurs 13 et 14 formés de plaques "Polaroide (marque commerciale)", liées par un agent adhésif. Les polariseurs ont une direction de polarisation à 45 par rapport à la direction d'application du champ électrique et les adhésifs ont été appliqués aux surfaces d'adhérence, tout en évitant les positions à travers lesquelles le signal lumineux passe, puis on a procédé à une cuisson pour fixer l'ensemble de l'appareil à commande photonique. Les éléments photorécepteurs 8 et 9 ont été formés entre les électrodes 21 et 22 formées sur le
substrat diélectrique 6, et ont été polarisés par l'ap-
plication d'un champ électrique de 2 kV/mm afin d'établir des directions de polarisation inversées et parallèles dans les éléments 8 et 9. Après cette opération de polarisation des éléments photorécepteurs 8 et 9, les électrodes 21 et 22 ont été connectées à des circuits. Les directions des polarisations spontanées des éléments 8 et 9 sont agencées en série, par connexion des circuits les uns aux autres dans les positions 19, par soudage ou autre, pour former les circuits électriques 7, puis une pâte d'argent ou une soudure pouvant durcir à la température ambiante est utilisée pour connecter le photomodulateur 10 aux circuits
imprimés 7.
Les caractéristiques de fonctionnement de l'appareil à commande photonique de la figure 4 ont été mesurées par le procédé tel qu'illustré sur la figure 5. Le signal lumineux pour une telle mesure était celui d'un
faisceau laser rouge 16 généré par un laser à gaz He-Ne.
L'intensité du signal lumineux 16 ayant traversé le cristal 10 a été mesurée comme montré sur la figure 5 au moyen d'un photodétecteur 17, puis les données telles que détectées
ont été traitées et mémorisées par un calculateur 18.
Les éléments photorécepteurs 8 et 9 réalisés à partir du substrat 16 de PLZT(3/52/48) ont été exposés de façon alternée au rayonnement d'une lampe à mercure 9, à intervalles de 5 secondes, et la réponse de l'élément cristallin de photocommutation au faisceau lumineux de signal 16 a été mesurée. La réponse résultante est montrée sur la figure 10 qui est un graphique donnant en ordonnées la variation du faisceau laser de sortie et, en abscisses, la période de temps dans l'état en obtenue avec le
dispositif à commande lumineuse de l'art antérieur.
Lorsque la lumière de commande irradie l'élément A, l'"élément photocommandé est placé dans l'état en ou en marche. Lorsque la lumière de commande est appliquée à l'élément B, l'élément photocommandé est placé dans l'état hors ou d'arrêt. Le rapport signal/bruit du faisceau lumineux du signal a été mesuré comme étant égal à
une valeur comprise entre 4,5 et 5 dB.
Dans cet exemple, les polariseurs 13 et 14 sont liés directement sur les surfaces du cristal diélectrique de la composition PLZR(9/65/35), mais les polariseurs peuvent être assemblés indirectement et à la distance des surfaces du cristal diélectrique 10 permettant de donner
les propriétés souhaitées au modulateur 10.
Il apparaît dans cet exemple que, du fait que le substrat lui-même est un corps piézo-électrique (cristal), la formation des éléments photorécepteurs peut être réalisée uniquement par la formation des électrOce% sur les surfaces du substrat, et une polarisation des parties comprises entre les électrodes afin de produire les propriétés souhaitées des éléments photorécepteurs. Par
conséquent, la fabrication des éléments peut être faci-
litée, ce qui permet d'effectuer aisément la miniaturisa-
tion du dispositif. L'assemblage du substrat avec un cristal diélectrique transparent peut être réalisé par le collage de l'un à l'autre à l'aide d'une pâte de verre. En variante, l'assemblage peut être réalisé par cuisson de l'un à l'autre à une température élevée comprise entre 1000 et 1300 C pour les solidariser par frittage, par adhérence ou par soudage, car le substrat et le cristal diélectrique sont tous deux réalisés en une matière similaire, à savoir la composition PLZT. Dans ce processus, deux types de compositions PLZT ont été reliés ou intégrés l'un à l'autre, puis les dessins des circuits ont été formés et la polarisation des éléments, la formation des électrodes et la connexion des électrodes avec les circuits ont été réalisées, avant que les polariseurs soient appliqués sur
les deux surfaces parallèles de la matière piézo-
électrique.
EXEMPLE-2
[Effet du dopage au W03 sur le PLZT] Un échantillon de PLZT(3/52/48) dopé avec 0,5 %, en valeur atomique, de W03 a été utilisé à la place du PLZT(3/52/48) devant être utilisé dans un élément photorécepteur (ou dispositif à effet photovoltaique) de
l'exemple 1.
Les dimensions des éléments photorécepteurs 8
et 9 sont les mêmes que dans l'exemple 1 et, par consé-
quent, une paire d'électrodes ayant pour dimensions mm x 1 mm est prévue à la distance de 16 mm, comme montré sur la figure 4. La forme et la condition de polarisation
des électrodes, et la structure du circuit de photo-
2 commutation, sont similaires à celles de l'exemple 1. Les caractéristiques de fonctionnement du dispositif résultant ont ensuite été mesurées comme décrit dans l'exemple 1. Les
résultats sont montrés sur la figure 11.
Le rapport signal/bruit résultant est d'environ
6 à 7 dB.
Une amélioration de 1,5 à 2,5 dB a été trouvée en comparaison avec le résultat de l'exemple 1. Ceci semble
être dû à l'effet du dopage au W03 du PLZT(3/52/48).
Chacune des compositions dopées au W03 à raison de 1,0 %, 1,5 %, 2,0 % et 2,5 %, en valeur atomique, a été utilisée pour la préparation des substrats et chaque substrat a été assemblé pour former le dispositif optique à commande photonique selon l'invention, et les essais ont été
effectués pour mesurer le rapport signal/bruit.
Il en résulte que le rapport signal/bruit obtenu à partir des substrats en PLZT(3/52/48) dopés au W03 à raison de 1,0 % et 1,5 %, en valeur atomique, est plus élevé que celui obtenu avec le substrat non dopé, et que le rapport signal/bruit obtenu avec le substrat de PLZT(3/52/48) dopé au W03 à raison de 2,0 %, en valeur atomique, est compétitif avec celui obtenu à partir du substrat non dopé et que, en outre, le rapport signal/bruit du substrat dopé au W03 à raison de 2,5 %, en valeur atomique, est inférieur à celui du substrat non dopé au w03. Par conséquent, la plage préférée de dopage au W03 est de 0 à 2,0 % en valeur atomique, et on a trouvé une amélioration du rapport signal/bruit du fait du dopage au W03.
EXEMPLE 3
[Elément de photocommutation réalisé à l'extérieur d'un circuit d'éléments photorécepteursl Cet exemple est montré sur la figure 6 SUr laquelle un élément de photocommutation 10 est disposé a l'extérieur d'un circuit en boucle constituant deUw
éléments photorécepteurs 8 et 9.
Les avantages de cette structure sont que la largeur changeante de la variation de l'angle du faisceau lumineux de commande peut être faible, car la distance entre les deux éléments photorécepteurs formés sur la surface du substrat est faible, c'est-à-dire que les deux
éléments sont adjacents l'un à l'autre.
La matière pour les éléments photorécepteurs est la même que celle de l'exemple 2, c'est-à-dire une composition de PLZT dopée au W03, et, alors, le rapport
signal/bruit a été amélioré jusqu'à 6 dB.
EXEMPLE 4
[ Le rayonnement de commande entre dans le dispositif à partir de la direction opposée à celle du faisceau lumineux à commuter] Cet exemple est une modification de l'exemple 1
et est montré sur la figure 7.
Le faisceau lumineux 11 à commuter arrive de la direction perpendiculaire à la direction de polarisation (indiquée par une flèche) des éléments photorécepteurs 8 et 9, tandis que le faisceau lumineux ll à moduler dans l'exemple 1 arrive de la direction parallèle à la direction de polarisation des éléments photorécepteurs 8 et 9. Les autres conditions sont les mêmes que celles de la figure 4,
dans l'exemple 1.
EXEMPLE 5
[Photomodulateur réalisé sur le côté opposé des éléments photorécepteurs] Cet exemple est montré sur les figures 8A et 8B. La figure 8A est une vue en perspective montrant la 2] face inférieure du substrat 6, et la figure 8B est une vue en perspective depuis le côté du substrat 6 sur lequel est
monté le photomodulateur 6.
Le substrat 6 a 20 mm de longueur, 15 mm de largeur et 0,5 mm d'épaisseur, et deux électrodes 21 et 22, ayant chacune pour dimensions 5 mm x 1 mm, sont formées sur la surface inférieure du substrat 6, la distance entre les deux électrodes étant de 16 mm, et les circuits 7 pour un photomodulateur 10 ont été formés sur la surface opposée du substrat 6. Les éléments photorécepteurs 8 et 9 formés entre les électrodes 21 et 22 ont été polarisés de façon inverse et parallèlement entre eux, et le modulateur de commutation photo-optique 10 a été assemblé sur la surface
opposée du substrat 6, comme montré sur la figure 8B.
Un cristal céramique transparent, composé de PLZT(9/65/35), a été utilisé pour un photomodulateur 10 ayant pour dimensions 2,5 x 4 x 10 mm, et les électrodes 12 ont été formées sur les deux surfaces du cristal 10 qui a été collé sur le substrat 6, puis les électrodes 12 ont été connectées aux circuits 7 par de la soudure ou par une pâte conductrice, et, en outre, les éléments photorécepteurs 8
et 9 ont été polarisés et connectés ensemble en série.
Un photomodulateur 10 a été connecté en série pour la polarisaton et les électrodes 12 du photomodulateur ont été connectées électriquement aux électrodes des
éléments photorécepteurs, en parallèle.
Les éléments photorécepteurs 8 et 9 ont été exposés au rayonnement d'une lampe à mercure afin de générer un courant et une tension photovoltaiques dans les
- circuits 7.
Un faisceau lumineux 11 à moduler entre dans le photomodulateur 10 dans la direction perpendiculaire à la direction de i'auto-polarisation du substrat 6 et, par conséquent, le risque d'une confusion optique est très faible.
En outre, les deux surfaces du substrat peuven-
être utilisées pour l'assemblage de ce dispositif optique et, alors, la dimension d'ensemble du dispositif peut être
réduite et le dispositif peut être aisément miniaturisé.
EXEMPLE 6
[Structure d'une polarisation Darallèle des éléments photoréceDteurs] Cet exemple est montré sur la figure 9 o les éléments récepteurs 8 et 9 sont polarisés dans des directions parallèles, et assemblés et connectés en
parallèle l'un à l'autre au moyen d'un circuit électrique.
Les performances de fonctionnement ont été mesurées d'une manière telle que montrée sur la figure 5, c'est-à-dire que deux éléments photorécepteurs 8 et 9 ont été exposés simultanément à un rayonnement de commande 15, afin que soient mesurées les performances de l'appareil de
commutation optique à commande photonique.
On a utilisé pour la matière du substrat céramique diélectrique 6, la même matière que celle utilisée dans l'exemple 2, c'est-à-dire le PLZT(3/52/48) dopé avec 0,5 %, en valeur atomique, de WO3. La période de temps à partir du commencement du rayonnement d'une lumière de commande jusqu'au point o un
faisceau lumineux ayant traversé le dispositif auto-
voltaïque 10 atteint l'intensité de 6 dB, a été mesurée de 2 à 2,5 secondes, c'est-a-dire environ la moitié de la période pendant laquelle une lumière de commande irradie un seul élément photorécepteur, c'est-àdire un élément de
commande, comme décrit dans l'exemple 2.
Il a été confirmé que l'utilisation du montage en parallèle des deux éléments photorécepteurs, ayant la
même direction d'auto-polarisation pour détecter une photo-
irradiation, permet une réponse plus rapide pour l'ouver-
ture d'un obturateur.
La figure 10 est un graphique montrant la 2 réponse photonique du dispositif à commande photonique selon l'invention lorsqu'il est irradié sur les deux fléments photorécepteurs A et B dont les directions de
polarisation sont inverses.
La figure 11 est un graphique montrant la réponse photonique du dispositif à commande photonique selon l'invention dont la matière du substrat est du PLZT
dopé au WO3 à raison de 0,5 % en poids.
Le dispositif selon l'invention comporte un
substrat en matière diélectrique ayant un effet photo-
voltaïque, des éléments photorécepteurs formés directement dans la surface du substrat pour générer un courant ou une tension photo-induit, et des conducteurs pour conduire le courant ou la tension des électrodes du ou des éléments photorécepteurs ou de commande photonique jusqu'aux électrodes d'un cristal diélectrique comprenant un dispositif de commutation de faisceau ou modulateur de
faisceau, ledit cristal comprenant le passage de commuta-
tion ou modulateur de faisceau destiné à commuter ou moduler un faisceau lumineux entrant dans le dispositif et devant être modulé ou commuté. Par conséquent, dans ce dispositif, les éléments photorécepteurs ou de commande photonique et le
dispositif de commutation ou photomodulateur sont con-
nectés électriquement et, alors, un faisceau lumineux peut
être commuté ou modulé directement uniquement par l'utili-
sation d'une lumière de commande et sans utilisation d'un
amplificateur quelconque.
Ensuite, il est possible de fabriquer aisément
un appareil miniaturisé, léger et de forme mince.
Troisièmement, on peut améliorer le rendement du dispositif de commutation optique en simplifiant la fabrication du commutateur optique. En outre, on peut donner au dispositif
une haute fiabilité et un temps de réponse court.
Comme décrit précédemment, le dispcSik{i
optique à commande photonique selon l'invention perAe-
d'améliorer notablement une force de photostriction de volume des éléments de commande photonique et peut en outre améliorer le rapport signal/bruit et la réponse de la commutation optique en utilisant du titanate-zirconate de plomb additionné de lanthane et dopé avec du W03 jusqu'à 2 % en valeur atomique [PLZT(3/52/48) dopé au W03]. En outre, on peut fabriquer plus aisément l'appareil de
photocommutation avec un facteur de qualité supérieur.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil de commutation décrit
et représenté sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (10)
1. Appareil de commutation à commande photoni-
que dans lequel un faisceau lumineux est commuté ou modulé par l'utilisation uniquement d'un ou plusieurs faisceaux lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte: - (a) un substrat diélectrique (6) produisant un "effet photovoltaique"; (b) un ou plusieurs couples d'électrodes (12) formées dans ou sur au moins des parties de la ou des surfaces du substrat afin de polariser la ou les parties
placées placées entre ledit ou lesdits couples d'élec-
trodes; (c) un ou plusieurs éléments photorécepteurs ou de commande photonique (A, B) situés dans au moins la ou
les parties polarisées de la surface du substrat diélectri-
que, ayant une polarisation disposée sous un certain angle et produisant un effet photovoltaique de façon à générer une tension photo-électrique; (d) un élément diélectrique de rotation 21 électro-optique comprenant un passage de commutation ou modulateur (10) de faisceau lumineux ayant un couple de polariseurs (13, 14) dont les directions de polarisation se coupent perpendiculairement ou sont parallèles entre elles, cet élément étant placé sur la. surface d'incidence d'un
faisceau lumineux (11) à moduler, et à la surface d'émer-
gence du faisceau lumineux, et un couple d'électrodes formées sur un couple des autres surfaces, situées face à face, de l'élément de rotation afin d'appliquer un champ électrique dans ledit élément;
(e) des conducteurs (7) connectant électrique-
ment les électrodes du ou des éléments de commande photonique, respectivement, aux électrodes de l'élément de rotation; le faisceau lumineux à moduler arrivant à travers le polariseur dans ledit élément de rotation à travers lequel le faisceau lumineux passe de façon à être commuté ou modulé, et le passage de commutation étant commandé directement par la tension photovoltaique générée par le ou les éléments de commande photonique qui peuvent être commandés ou commutés uniquement par l'illumination du faisceau lumineux sur la surface du ou des éléments de
commande photonique.
2. Appareil de commutation à commande photoni-
que selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de rotation comporte, à la surface d'incidence et à la surface d'émergence du faisceau lumineux à commuter ou à moduler dans la matière, un couple de polariseurs (13, 14) dont les directions de polarisation se coupent perpendiculairement entre elles, et forment en outre un angle de 45 avec la direction du champ électrique appliqué dans l'élément de rotation par le couple d'électrodes
placées aux surfaces, situées face à face, dudit élément.
3. Appareil de commutation à commande phGoOni-
que selon la revendication 1, caractérisé en ce que- les parties de commande photonique situées dans au moins une portion de la surface du substrat comprennent un couple d'éléments optiques (8, 9) ayant des directions de polarisation parallèles et opposées entre elles et la même
direction de polarisation.
4. Appareil de commutation à commande photoni-
que selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ou les éléments de commande photonique comprennent un couple
d'éléments optiques (8, 9) dont les directions de polarisa-
tion sont en série, ou en forme de boucle, et chacune des électrodes du passage ou des modulateurs du faisceau lumineux est connectée par chacun desdits conducteurs de connexion à chacune des électrodes des éléments de commande photonique.
5. Appareil de commutation à commande photoni-
que selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les éléments photorécepteurs comprennent un couple
d'éléments optiques (8, 9) dont les directions de polarisa-
tion sont parallèles, et qui sont connectés en une boucle, et chaque électrode de ladite matière cristalline est connectée par l'intermédiaire de chacun des conducteurs de
connexion situés sur la surface du substrat.
6. Appareil de commutation à commande photoni-
que selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau lumineux à moduler arrive de la direction dans laquelle il n'est pas possible au faisceau d'entrer à travers la surface du substrat, et le faisceau lumineux de commande arrive d'une direction totalement différente de
celle du faisceau lumineux à moduler.
7. Appareil de commutation à commande photoni-
que selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface d'incidence et la surface d'émergence du faisceau
Lumineux à moduler dans ledit modulateur sont perpen-
diculaires à la surface du substrat diélectrique et la face photoréceptrice des parties de commande photonique est 2C parallèle à la surface du substrat, de manière que le faisceau lumineux à moduler arrive de la direction dans laquelle il n'est pas possible au faisceau de traverser la surface du substrat, et que le faisceau lumineux de commande arrive d'une direction totalement différente de
celle du faisceau lumineux à moduler.
8. Appareil de commutation à commande photoni-
que selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément de rotation est placé sur la surface opposée à
celle du substrat.
9. Appareil de commutation à commande photoni-
que selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les éléments de commande photonique comprennent un couple
d'éléments optiques (8, 9) dont les directions de polarisa-
tion sont en série, et qui sont connectés en boucle, et chaque électrode des modulateurs de lumière est connectée par l'intermédiaire de chacun des conducteurs de connexion, les éléments de commande photonique étant placés sur la surface opposée & la surface du substrat sur laquelle le
modulateur est assemblé.
10. Appareil de commutation à commande photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat diélectrique produisant un effet photovoltaïque est en une matière piézo-électrique ayant la formule chimique: Pb0,97La0O03(Zr0O52Ti0,48)0,992503 ledit élément de rotation étant à haute clarté et en titanate-zirconate de plomb dopé au lanthane, ayant la formule chimique: Pb0,91La 0,09 (Zr0,65Ti0,35)0,977503'
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| Publication number | Publication date |
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| US5050969A (en) | 1991-09-24 |
| GB2229543A (en) | 1990-09-26 |
| FR2646525B1 (fr) | 1993-11-26 |
| GB8929205D0 (en) | 1990-02-28 |
| GB2229543B (en) | 1993-06-16 |
| DE3943041A1 (de) | 1990-06-28 |
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