FR2684194A1 - Dispositif acousto-optique utilisant un materiau, notamment un materiau semi-conducteur, au voisinage de son seuil d'absorption optique. - Google Patents

Abstract

Un dispositif acousto-optique comprend en général un corps (1) en matériau capable d'interaction photo-élastique, des moyens (2) pour appliquer à ce corps une onde acoustique, possédant une première longueur d'onde (Wa), dans une première direction (Oa), et des moyens (3) pour appliquer à ce corps une onde optique incidente, possédant une seconde longueur d'onde (WLi), dans une seconde direction (Oli). L'interaction photo-élastique produit une troisième au moins une onde optique émergeant du corps, avec longueur d'onde (WLe), dans une troisième direction (Ole). Selon l'invention, la seconde longueur d'onde (WLi) est choisie proche par valeurs supérieures du seuil d'absorption optique dudit matériau, tout en permettant une transmission substantielle de l'onde optique (Oli) à travers le corps, malgré cette proximité du seuil d'absorption.

Description

Dispositif acousto-optique utilisant un matériau notamment un matériau semi-conducteur, au voisinage de son seuil d'absorption optique.

Les dispositifs acousto-optiques, dans lesquels une onde acoustique interagit avec une onde optique, s'appliquent notamment dans le domaine du traitement optique de signaux.

A l'aide d'un faisceau d'ondes acoustiques, en principe excité électriquement, ces dispositifs peuvent agir sur un faisceau lumineux pour modifier ses caractéristiques amplitude/fréquence, et/ou son orientation dans l'espace: le faisceau optique peut être modulé en intensité, dévié, déplacé en fréquence, obturé, ou filtré, notamment.

Lorsque l'on s'intéresse aux performances d'un dispositif acousto-optique, les deux paramètres les plus importants sont le rendement et la bande passante.

Le rendement se mesure de différentes manières, suivant le type d'action recherchée. Dans le cas d'une lumière que l'on module ou que l'on dévie, c'est le taux de lumière modulée ou déviée, c'est à dire le rapport de l'énergie lumineuse modulée ou déviée que l'on obtient en sortie à l'énergie incidente. Ce rapport dépend a priori du taux de transmission de la lumière à travers le matériau constitutif du "milieu d'interaction acoustooptique".

Dans le cas d'une modulation, la bande passante est en relation avec la plus haute fréquence de modulation à laquelle on va pouvoir accéder; on sait que cette fréquence de modulation maximum définit la limite théorique de transmission des informations, ce qui est important par exemple dans le cadre des télécommunications.

Dans le cas d'un déflecteur, la "bande passante" est en relation avec le nombre de positions de déviations que l'on va pouvoir séparer ou distinguer, et la rapidité de commutation entre ces positions.

Les qualités propres du matériau formant le milieu d'interaction acousto-optique sont évaluées à l'aide de grandeurs que l'on appelle "facteurs de mérite acousto-optiques". Ces facteurs de mérite acousto-optiques visent à caractériser l'efficacité de l'interaction lumière-ultrason. Il en existe différentes définitions, comme indiqué dans l'ouvrage "Acousto-optics", J. SAPRIEL,
John WILEY & Sons, 1976-1979 (Edition anglaise), pages 72 et 73 (et autres endroits déterminés par l'index à la rubrique "Acousto-optic Figure of Merit"). Quelles que soient leurs expressions particulières, ces facteurs de mérite dépendent de l'indice de réfraction du matériau, et de la constante photoélastique effective.

Avec les techniques actuelles, la réalisation de dispositifs acousto-optiques est sujette aux contraintes suivantes - I1 existe une limite supérieure à la puissance acoustique que l'on peut appliquer à un cristal; lorsque cette puissance est dépassée, le cristal est dégradé.

- La plupart des matériaux actuels ont un facteur de mérite moyen ou bas. Si par exemple on s'intéresse à un modulateur, et que l'on veuille obtenir une efficacité de modulation proche de 100%, il est nécessaire de porter la longueur d'interaction L entre le faisceau acoustique et le faisceau ultrasonore à des dimensions de l'ordre de quelques millimètres, sinon plus.

- Or, si l'on augmente la longueur d'interaction L, on diminue en même temps la bande passante.

En bref, il apparaît que l'efficacité de modulation et la bande passante sont deux paramètres antagonistes, vis-à-vis de la longueur d'interaction L. Le problème qui se pose avec les dispositifs acousto-optiques habituels réside donc dans la difficulté d'avoir à la fois une grande bande passante et une efficacité élevée.

Par ailleurs, à quelques exceptions près ("dispositif de surface pour ondes guidées"), les dispositifs acousto-optiques connus jusqu a présent ont des dimensions assez importantes : ils nécessitent des volumes de matériau d'interaction (par exemple du dioxyde de tellure ou de molybdate de plomb) de l'ordre de quelques centimètres-cube; il s'ensuit un prix de revient assez élevé.

Enfin, lorsqu'ils possèdent un très fort facteur de mérite, comme c'est le cas pour le dioxyde de tellure, les matériaux sont généralement très absorbants pour les ultrasons de fréquence élevée, ce qui en diminue considérablement l'intérêt.

La présente invention vient apporter des dispositifs nouveaux, constituant un bien meilleur compromis dans les différentes contraintes qui s'appliquent à la construction de dispositifs acousto-optiques.

Un premier but de l'invention est d'augmenter la bande passante d'un dispositif acousto-optique, tout en lui conservant un rendement élevé.

Un autre but de l'invention, corrélatif du premier, est de conserver de bonnes performances, tout en réduisant substantiellement la longueur d'interaction L.

L'invention a également pour but de fournir des dispositifs acousto-optiques de très petite taille.

Elle vise également à fournir des dispositifs plus compacts, rapides et performants que les dispositifs connus jusqu'à présent, avec un coût de fabrication et une consommation en fonctionnement qui soient également très réduits.

L'invention a encore pour but de fournir des dispositifs acoustooptiques à base de matériau semi-conducteur, qui ont de bonnes qualités mécaniques et une bonne conductivité thermique. Ils offrent également d'autres avantages quant à leurs propriétés acousto-optiques. Enfin, ils conviennent particulièrement bien pour des applications dans le proche infrarouge, qui sont importantes pour les télécommunications.

Par ailleurs, la réalisation des dispositifs acousto-optiques à partir de matériaux semi-conducteurs, qui peuvent être les mêmes que ceux utilisés par exemple dans un laser d'excitation, procure des avantages importants au point de vue de l'intégration et de la stabilité mécanique et thermique de l'ensemble.

Le dispositif acousto-optique proposé est du type comprenant: - un corps en matériau capable d'interaction photo-élastique, - des moyens pour appliquer à ce corps une onde acoustique, possédant une première longueur d'onde, dans une première direction, - des moyens pour appliquer à ce corps une onde optique incidente, possédant une seconde longueur d'onde, dans une seconde direction, - l'interaction photo-élastique produisant au moins une onde optique émergeant du corps, avec une troisième longueur d'onde, dans une troisième direction.

Selon un aspect de l'invention, la seconde longueur d'onde est choisie proche par valeurs supérieures du seuil d'absorption optique dudit matériau, tout en permettant une transmission substantielle de l'onde optique à travers le corps, malgré cette proximité du seuil d'absorption.

L'invention se fonde notamment sur le fait que, pour des longueurs d'ondes lumineuses (ou énergies de photons) proches du seuil d'absorption optique, l'indice de réfraction des matériaux photo-élastiques (doués de propriétés acousto-optiques) et surtout les modules de ses constantes photo-élastiques Pij croissent notablement. Le Demandeur a alors observé que les facteurs de mérite du matériau croissent encore plus vite, lorsqu'on se rapproche du seuil d'absorption, puis qu'il était possible de réaliser des dispositifs acousto-optiques bien meilleurs, malgré les préjugés traditionnels sur le compromis sus-visé entre la bande passante et le rendement.

De préférence, le facteur de transmission de l'onde optique à travers le corps, en l'absence d'onde acoustique, est au moins égal à 40%. Dans ces conditions, le matériau du corps peut posséder un facteur de mérite au moins égal à environ 100 fois celui de la silice (matériau de référence en acousto-optique).

Dans un mode de réalisation, le corps est de forme générale plate, avec deux grandes faces parallèles, son épaisseur étant inférieure au millimètre, tandis que la première direction est parallèle aux deux grandes faces de ce corps. Avantageusement, la section droite du corps (perpendiculairement à la première direction) est de forme générale rectangulaire. Enfin, les côtés des grandes faces parallèles sont au plus de l'ordre du centimètre.

Selon un autre aspect de l'invention, les moyens pour engendrer l'onde acoustique comprennent un transducteur à très haute fréquence, capable d'opérer sur une large bande, en faisceau étroit (ctest-à-dire ayant une section droite de faible surface).

En principe, ce transducteur opère à au moins 500 MHZ, de préférence au moins 800 MHz, avec une demi-largeur de bande d'au moins 500 MHz. Avantageusement (mais non nécessairement), le transducteur engendre des ondes de volume, de préférence des ondes planes.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la surface en section droite du faisceau acoustique est comprise entre quelques dizaines de micromètres carrés et quelques dizaines de milliers de micromètres carrés.

En variante, les moyens pour engendrer l'onde acoustique comprennent une barrette de transducteurs engendrant des faisceaux acoustiques indépendamment ajustables.

Dans une première famille de dispositifs, les première, seconde et troisième longueurs d'onde, ainsi que les première, seconde et troisième directions sont choisies pour respecter sensiblement la condition de BRAGG.

De préférence, le faisceau optique incident est alors focalisé sur la zone du corps où se propage l'onde acoustique.

Dans une seconde famille de dispositifs, la seconde direction (celle du faisceau incident) est sensiblement perpendiculaire à la face d'entrée du faisceau incident dans le corps.

Plus particulièrement, le matériau du corps est un semi-conducteur, la seconde longueur d'onde étant dans l'infra-rouge. De son côté, le faisceau incident peut être un faisceau laser.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est le schéma de principe d'un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 est une vue en perspective illustrant un mode de réalisation particulier du corps en matériau acousto-optique utilisé selon l'invention ; et - la figure 3 est le schéma en perspective d'une variante de réalisation de l'invention.

Les dessins annexés sont pour l'essentiel de caractère certain.

Ils sont donc à considérer comme incorporés à la description, et pourront donc non seulement servir à compléter celle-ci, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.

L'invention utilise un corps en matériau "capable d'interaction photo-élastique". En théorie, tous les matériaux présentent un effet photoélastique (contrairement à l'effet piézoélectrique par exemple qui ne peut exister dans les cristaux ayant un centre de symétrie). Mais pour qu'il y ait interaction entre l'onde lumineuse et l'onde acoustique, il faut qu'elles puissent se rencontrer dans le matériau. Une condition nécessaire est que les ondes puissent se propager dans ce matériau, c'est à dire que d'une part l'atténuation acoustique à la fréquence acoustique de travail et d'autre part l'absorption lumineuse à la longueur d'onde optique envisagée soient compatibles avec cette propagation.

Dans le domaine des dispositifs acousto-optiques utilisables en télécommunication, la Demande de Brevet français No 89 07958 déposée le 15 juin 1989 avec pour titre "Dispositif acoustooptique utilisant un super réseau en tant que milieu d'interaction" (FR-A-2 648 576), offre des solutions intéressantes.

Toutefois, leur mise en oeuvre est assez délicate, car elles font intervenir un super réseau, qui est un composant électronique complexe et onéreux à fabriquer, surtout aux épaisseurs prévues dans la demande de Brevet 89 07958 (de l'ordre de 10 micromètres).

Par ailleurs, la configuration géométrique adoptée dans le brevet antérieur est une configuration de rétrodiffraction (les directions de la lumière incidente et diffractée sont à environ 180 ), qui n'est pas adaptée aux applications de déflexion de faisceau lumineux, contrairement à la configuration utilisée ici.

L'invention, qui procède d'une autre manière, fait usage d'une observation importante : pour des énergies de photons proches du seuil d'absorption optique, l'indice de réfraction n et surtout les modules des constantes photoélastiques Pij croissent notablement (pour l'oxyde de zinc et le sulfure de cadmium, voir : "Enhancement of elasto-optic constants in the neighborhood of a band gap in ZnO and CdS" B. Tell, J.M. Worlock, and R.J.

Martin, Appl. Phys. Let. 6, 123 (1965).

L'une des observations de base de l'invention est que, pour les matériaux ici proposés, il résulte de cette augmentation des constantes photoélastiques une augmentation bien plus forte des facteurs de mérite acousto-optiques, lesquels sont proportionnels à une puissance élevée de l'indice de réfraction n (puissance 6, 7 ou 8 selon le facteur de mérite considéré), et au carré de la constante photoélastique effective (ouvrage de J. SAPRIEL déjà cité).

Par exemple, il a été observé que pour l'arséniure de Gallium, on obtient pour des longueurs d'onde variant entre 1,15 et 0,89 micromètres un accroissement de facteur de mérite du matériau qui est de l'ordre de 20, pour une lumière polarisée perpendiculairement au plan d'incidence. A des longueurs d'onde plus courtes, l'arséniure de gallium vient à présenter un facteur de mérite qui peut alors aller jusqu'à 600 fois le facteur de mérite de référence (celui de la silice).

Par ailleurs, il a été observé que les semi-conducteurs, et tout particulièrement les matériaux massifs et alliages dits III-V (GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs, GaInAsP, notamment) ont de bonnes qualités mécaniques et une bonne conductivité thermique. Ils peuvent être préparés sous forme de plaquettes minces d'épaisseur aussi faible que 50 micromètres, et rester manipulables à ces épaisseurs.

En outre, ces matériaux sont du type dit "à bande interdite directe". Ils permettent par la de construire des dispositifs émetteurs de lumière (diode et laser). Mais il a été observé que cette propriété favorise l'effet d'augmentation ou résonance de l'indice de réfraction et des constantes photoélastiques, lorsque l'énergie des photons incidents approche l'énergie associée à la bande interdite. La présente invention fait usage de ce phénomène de résonance d'origine électronique.

On observera au passage que l'on connaissait antérieurement des matériaux à très fort facteur de mérite. Un exemple en est le dioxyde de tellure TeO2. Cependant, ces matériaux sont extrême ment absorbants pour des ultrasons de fréquence élevée ("Acoustooptic deflection materials and techniques", N. UCHIDA et N.

NIIZEKI, PROC. IEEE, 61, 1073 (1973). Au contraire, les semiconducteurs utilisés selon la présente invention ont également la propriété de présenter une atténuation acoustique tout à fait raisonnable, pour des ultrasons de fréquence élevée.

Avant d'exposer en détail différents modes de réalisation de l'invention, on rappellera les principes des dispositifs acoustooptiques.

Le mécanisme de l'interaction de la lumière avec une onde ultrasonore est fondé sur l'effet photoélastique. Lorsqu'une onde acoustique se propage dans un matériau, il existe un champ de contraintes associé qui provoque une perturbation périodique de l'indice de réfraction dans le milieu. Cette perturbation de l'indice agit comme un réseau optique de volume pour une onde lumineuse se propageant dans le milieu et donne lieu à un faisceau diffracté à la fréquence fd=fi+F, fi et F étant respectivement la fréquence du faisceau lumineux incident et celle de l'onde acoustique. Comme F est petite devant fi, les fréquences optiques fd et fi sont très voisines l'une de l'autre.

La diffraction n'est efficace que si la règle de conservation des moments est respectée, soit kd=ki+K, où ki, kd et K sont respectivement le vecteur d'onde de la lumière incidente, celui de la lumière diffractée et celui de l'onde acoustique (la flèche supérieure des vecteurs est omise dans la description). Comme le module du vecteur d'onde acoustique est beaucoup plus petit que les modules des vecteurs ki et kd, l'interaction ne peut se faire que dans la configuration où les faisceaux lumineux et l'onde acoustique sont quasiment perpendiculaires, plus exactement lorsque ki fait avec la direction des plans d'onde (perpendiculaire à K), un angle THETAB, qui est au maximum de l'ordre de quelques degrés. Le faisceau est alors dévié de 2.THETAB dans une seule direction.Pour que la diffraction ne reproduise que dans une seule direction (condition de Bragg) il faut que le facteur de qualité Q soit plus grand que 1. Q est défini par Q=2.pi.
WLi.L/(n.Wa2), avec WLi longueur d'onde lumineuse, n indice du milieu, L longueur d'interaction entre le faisceau lumineux et le faisceau acoustique, Wa longueur d'onde acoustique. Dans le cas contraire (Q 1, dans le régime dit de Raman et Nath) l'incidence du faisceau lumineux doit être normale et plusieurs ondes de diffraction coexistent dans des directions différentes et symétriques par rapport au faisceau lumineux incident (ordre O) .

L'interaction acousto-optique se produit dans un temps Ta égal à celui que met le faisceau acoustique à traverser le faisceau lumineux.

On décrira maintenant, en référence à la figure 1, un dispositif acousto-optique selon l'invention, fondé sur une cellule de
Bragg.

Cette cellule est constituée d'une plaquette 1 d'épaisseur e, et de dimensions latérales W et H. Cette plaquette joue le rôle de cristal de propagation pour les ondes, vu sur la tranche perpendiculaire à W (la dimension W est perpendiculaire au plan de la figure 1).

Sur la petite face latérale sont fixés des moyens d'émission d'une onde acoustique 2.

Ces moyens comportent un générateur haute fréquence 20, connecté aux bornes d'un réseau d'adaptation 21. Un transducteur piézoélectrique est fixé sur la tranche du cristal 1. I1 comporte une métallisation 26 collée sur cette tranche, surmontée du matériau piézo-électrique 25, puis d'une électrode supérieure 24, qui délimite la zone active du transducteur. C'est celle qui donnera au faisceau acoustique sa caractéristique d'ouverture et de propagation. L'adaptation d'impédance réalisée par le réseau 21 est en principe à 50 Ohms.

On réalise ainsi un transducteur électroacoustique opérant à très haute fréquence, et sur une large bande, tout en conservant un faisceau acoustique étroit, c'est-à-dire ayant une section droite de faible surface. Typiquement, la surface en section droite du faisceau acoustique est comprise entre quelques dizaines et quelques milliers de micromètres carrés, de préférence comprise entre la centaine et le millier de micromètres carrés.

Dans un mode de réalisation particulier non limitatif, la plaquette 1 est en arséniure de gallium. Le corps 25 du transducteur piézo-électrique est une lame mince de niobate de lithium.

Ce matériau présente des coefficients de couplage électromécanique élevés, ce qui revient à dire qu'il est susceptible de fournir un faisceau acoustique à des fréquences comprises dans une bande très large autour de la fréquence centrale, laquelle correspond à la résonance de la lame mince.

Par ailleurs, l'arséniure de gallium est un matériau dont les facteurs de mérite sont déjà élevés loin de la bande interdite ou "gap", et deviennent considérables lorsqu'on s'approche de cette bande interdite, conformément à la présente invention.

Le faisceau acoustique ainsi engendré par le transducteur se propage dans le cristal 1. La propagation est sensiblement celle d'une onde plane. Deux plans d'onde consécutifs (référencés ensemble 15) sont distants d'une longueur d'onde acoustique Wa.

Le vecteur d'onde K de l'onde acoustique a pour module 2pi/Wa.

Sa direction est celle de la propagation de l'onde acoustique Oa.

A l'opposé du transducteur électroacoustique 2 est prévu un moyen évitant le retour du faisceau acoustique en direction inverse.

Une manière de faire consiste à donner à la partie extrême 17 du cristal une forme en biseau.

Une réalisation plus précise des dispositifs apparaît sur la figure 2. Le corps d'arséniure de gallium 1 est enserré en sandwich entre deux plaques épaisses et rigides d'un matériau de bonne qualité mécanique et de coût assez bas, comme la silice.

Les faces libres des blocs de silice sont usinées pour être au même niveau que les faces du corps 1. Dans la silice sont percées de part et d'autre deux cavités, par exemple cylindriques, 12 et 14, qui permettent l'entrée directe du faisceau optique incident
OLI dans le corps de matériau 1. On note E l'épaisseur des plaques rigides en silice. D représente le diamètre des cavités 12 et 14.

Avantageusement, on prévoit sur les faces d'entrée et de sortie du corps 1 des couches anti-reflets, destinées à améliorer la transmission en longueur d'onde optique de travail. Ces couches anti-reflets sont des couches d'épaisseur quart d'onde qui dans le cas de GaAs sont constituées de Si3N4 (nitrure de silicium) ou d'oxyde de silicium (SiOx (0 < x < 1).

La figure 1 fait également apparaître des moyens d'émission optiques 3. Ceux-ci comportent un laser 30, dont le faisceau de sortie OL0 est avantageusement appliqué à une lentille sphérique ou cylindrique 32, laquelle fournit le faisceau optique incident
OLI appliqué au corps 1. La focalisation se fait à des dimensions choisies, qui dépendent notamment du volume irradié par le transducteur électroacoustique à l'intérieur du matériau 1. Plus on focalise le faisceau lumineux et plus on diminue le temps d'accès Ta. Cependant, le diamètre du faisceau lumineux ne saurait être inférieur à quelques (de l'ordre de quatre) longueurs d'ondes acoustiques sous peine de diminuer l'efficacité de l'interaction acousto-optique.

La longueur d'onde du laser 8 est choisie très proche de celle correspondant à l'énergie de bande interdite ("gap") du matériau, ici de l'arséniure de gallium. On peut ainsi obtenir un facteur de mérite acousto-optique très élevé (environ 600 fois celui de la silice).

Dans le mode de réalisation décrit, le faisceau lumineux incident
OLi est incliné à l'angle de Bragg THETAB, par rapport au plan d'onde acoustique, pour la fréquence acoustique centrale d'utilisation.

Au sein du matériau du corps 1, le passage du faisceau acoustique à travers le faisceau lumineux provoque la déviation d'une certaine proportion r de la lumière incidente, d'un angle égal à 2.THETAB. Cette proportion ou rendement r peut être ajustée faisant varier la puissance électrique appliquée au transducteur.

Ceci constitue une application en modulateur de lumière.

Par ailleurs, on peut également changer l'angle de déviation du faisceau laser, en changeant la fréquence de la tension appliquée entre les électrodes 24 et 26 par le générateur 20. Ceci nécessiterait en principe que l'on modifie aussi l'angle d'incidence du faisceau OLi. Cependant, le spécialiste sait qu'il existe une certaine tolérance pour l'incidence de Bragg sur le faisceau lumineux, tolérance heureusement d'autant plus grande que le facteur de mérite acousto-optique est plus élevé. Cette application est celle d'un déflecteur de lumière.

Dans un mode de réalisation particulier, les paramètres du dispositif représenté sur les figures 1 et 2, avec l'arséniure de gallium comme milieu d'interaction, sont les suivants e=0,25 mm, W=5 mm, H=6 mm,
L=0,22 mm, b=0,1 mm, E=3 mm, D=3 mm
Plus précisément encore, les ondes acoustiques utilisées sont d'un type à propagation longitudinale. Dans ce cas, le cristal de niobate de lithium (LiNbO3) est taillé préférentiellement suivant la coupe Y+36 (tel que défini dans l'ouvrage de J.

SAPRIEL, page 86, qui permet d'obtenir de larges bandes passantes acoustiques).

La fréquence centrale du transducteur est de 900 MHz, pour une bande passante allant de 650 à 1150 MHz. L'impédance du transducteur est adaptée à 50 Ohm. On peut alors obtenir un taux d'onde stationnaire inférieur à 2 sur 1, sur toute la bande.

La tension maximale appliquée aux électrodes 24 et 26 est de 8 V.

La longueur d'onde optique de travail se situe au niveau de 0,89 à 0,90 micromètres.

Dans ces conditions, environ 72% de la lumière incidente est transmise (énergie lumineuse utile) à travers l'épaisseur de GaAs en l'absence d'onde acoustique.

En application de déflecteur, une déviation de 100% de la lumière transmise dans une seule direction (Q=13) est obtenue avec seulement 225 mW de puissance acoustique utile. Mieux, si l'on se contente de dévier 85% de la lumière incidente, 125 mW de puissance acoustique utile suffisent.

En admettant que les pertes par conversion du transducteur électroacoustique sont de 3 dB, il faut donc respectivement 450 mW ou 250 mW de puissance électrique appliquée, selon que l'on veut dévier 100% ou 85% de l'énergie lumineuse utile.

La cellule de Bragg conforme à l'invention admet deux modes de fonctionnement principaux, d'où découlent les applications de même nom ainsi que les autres applications déjà énumérées.

En modulateur, l'angle de déviation à 900 MHz est de l'ordre de 10 angulaires. Le faisceau lumineux est focalisé sur un diamètre de 20 micromètres. Le temps d'accès Ta (temps que met le faisceau acoustique à traverser le faisceau lumineux) est de 4,2 nanosecondes.

Pour une application en déflecteur, on utilise avantageusement un faisceau lumineux de section elliptique : la lentille 32 est alors cylindrique, de façon à produire un faisceau dont la taille est de 1 mm dans la direction de propagation acoustique, pour 50 micromètres dans l'autre direction. Ce faisceau de section elliptique va pénétrer entièrement à l'intérieur de la "colonne acoustique", c'est-à-dire de la zone du corps cristallin 1 dans laquelle l'onde acoustique se propage effectivement. Le temps d'accès Ta est alors plus long, puisqu'il va jusqu'à 210 nanosecondes. Mais on obtient alors la possibilité de séparer spatialement 105 directions différentes dans un même plan d'incidence, en opérant à la façon d'un balayage linéaire.

Si l'on fait un balayage dans un plan, en utilisant deux dispositifs de ce genre, couplé à 90 l'un de l'autre, il devient alors possible d'accéder à l'une quelconque parmi 1052=11080 positions séparables dans l'espace, et ceci dans le temps exceptionnellement court d'environ 0,2 microseconde.

En faisant monter la fréquence de travail du transducteur électroacoustique, jusqu'à une fréquence centrale de 1,8 GHz par exemple, on peut obtenir les améliorations suivantes - en modulateur, on fait descendre le temps d'accès Ta à 2,1 nanosecondes, avec un faisceau lumineux qui est maintenant focalisé sur un diamètre de 10 micromètres ; et - dans le cas d'un déflecteur, on peut augmenter le nombre de directions déviées séparables spatialement pour un balayage linéaire jusqu a 210, sans modifier le temps d'accès Ta, et avec un faisceau lumineux elliptique possédant les mêmes caractéristiques géométriques que précédemment.

La présente invention se combine avantageusement avec les progrès récents dans la technologie des transducteurs piézo-électriques, qui permettent d'envisager l'utilisation de fréquences acoustiques élevées, avec de très larges bandes passantes, qui peuvent être de 3 GHz, autour d'une fréquence centrale de résonance du transducteur de l'ordre de 4 GHz. De plus, ces transducteurs sont capables de produire des faisceaux acoustiques parralèles de section aussi faible que 100 micromètres carrés. Il est alors envisageable de travailler avec des vitesses de modulation ou de commutation (suivant l'application), qui seraient inférieures à la nanoseconde.

Dans ce qui précède, on n'a envisagé que les deux applications principales du dispositif à savoir la modulation d'un faisceau, ou sa déviation. Bien entendu, le dispositif peut accomplir les autres fonctions qui en découlent, comme l'obturation, la translation de fréquence ou le filtrage.

En conséquence, en adaptant la longueur d'onde de la lumière incidente à l'énergie de bande interdite du matériau acoustooptique utilisé, et en réduisant en même temps la longueur d'interaction L, on arrive à des temps d'accès ou de commutation très bas, qui peuvent être inférieurs à la nanoseconde, alors que la plupart des dispositifs acousto-optiques connus fonctionnent avec des temps d'accès Ta de l'ordre de quelques microsecondes.

L'homme de l'art sait que le temps d'accès Ta est une caractéristique importante lorsqu'il s'agit de moduler un faisceau optique.

Si au contraire l'aspect vitesse de modulation n'est pas important, mais qu'on souhaite privilégier la capacité de défléchir le faisceau suivant de nombreuses positions, c'est alors le nombre de positions de déflection différentes qui est considérablement amélioré, sans baisse d'efficacité.

Ce résultat est obtenu d'une part par maximisation du facteur de mérite du matériau utilisé (de préférence un semi-conducteur), en travaillant avec des énergies lumineuses qui sont les plus proches possible du seuil d'absorption optique ("gap") du semiconducteur. L'absorption est minimisée, en réduisant le trajet optique dans le matériau d'interaction, lequel est taillé sous forme de plaquettes minces, qui sont traversées suivant l'épaisseur (leur plus petite dimension). Comme source électroacoustique, on utilise un transducteur piézo-électrique à onde de volume collé sur une tranche de la plaquette, qui permet d'engendrer des ultrasons à très haute fréquence sur de très larges bandes, pouvant aller de 1,5 à 5,5 GHz. Il engendre en outre des ondes acoustiques planes de faible surface (surface minimum 10 micromètres par 10 micromètres), qui peuvent se propager parallèlement à la grande surface de la plaquette (celle par où entrera l'onde optique incidente).

Lorsqu'un temps d'accès Ta court est requis, il est bon de focaliser le faisceau lumineux à l'intérieur du volume excité par les ondes acoustiques.

Enfin, pour la constitution du corps 1, il est avantageux d'utiliser des matériaux d'interaction de bonne qualité mécanique, de bonne conductibilité thermique, ayant une faible atténuation acoustique, ainsi qu'un suivi régulier de fabrication, comme l'arséniure de gallium ou le phosphure d'indium, et d'autres alliages comparables en matériaux III-V de la classification périodique des éléments.

En résumé, l'invention fournit un dispositif acousto-optique de déflection ou de modulation dont les performances sont largement supérieures à celles des dispositifs existants : temps d'accès
Ta exceptionnellement court, et/ou capacité de déflexion N exceptionnellement élevée.

Les dispositifs selon l'invention présentent en outre l'avantage d'être économiques, car - ils utilisent des volumes de semi-conducteurs très petits (de l'ordre de quelques mm3), alors que les dispositifs existants utilisent des matériaux d'interaction dont le volume est de l'ordre de quelques cm3. (On notera qu'en réalité, le volume utile d'arséniure de gallium dans le mode de réalisation particulier décrit peut être réduit jusqu'à quelques millionièmes de mm3, qui représente sensiblement le volume où s'effectue l'interaction acousto-optique.)
Les puissances électriques de fonctionnement sont peu importantes, grâce au facteur de mérite élevé des matériaux semiconducteurs proposés dans les conditions d'utilisation.

L'invention s'applique tout particulièrement mais non exclusivement aux semi-conducteurs utilisables dans la gamme des longueurs d'onde de 0,4 micromètre à 100 micromètres. Grâce à la faculté des semi-conducteurs à former des alliages variés, on peut facilement accorder la composition du matériau d'interaction à la longueur d'onde choisie pour la lumière incidente.

En variante, on peut ajuster la longueur d'onde d'un laser accordable utilisé comme source de lumière 30. Si celui-ci est fourni par une diode laser, on peut choisir la longueur d'onde de la diode laser en fonction d'un matériau d'interaction sélectionné préalablement.

Il est également envisageable d'utiliser les conditions ambiantes de travail pour faire certains ajustements : par exemple, un ajustement de la température à laquelle est sujette le dispositif peut permettre d'obtenir de petites variations sur les conditions de travail. Ainsi, si l'on considère un matériau d'interaction comme GaAs, le passage de la température ambiante à la température de l'azote liquide provoque un changement de l'énergie de bande interdite (gap) équivalent à un abaissement de la longueur d'onde lumineuse de travail de 500 Angströms.

Dans une variante intéressante (figure 3), on peut fixer plusieurs transucteurs élémentaires sur la même tranche de la plaquette 1. En pareil cas, l'électrode de masse collée 26 est mise en commun, et collée directement sur le corps 1. Le long de la grande dimension de la tranche de la plaquette 1, on place un ou plusieurs corps en niobate de lithium (par exemple) surmontés de métallisations 24-1 à 24-n. La section des faisceaux élémentaires acoustiques 1 à n est égale aux surfaces métallisées en regard, c'est-à-dire aux surfaces des électrodes supérieures.

Les électrodes supérieures 24-1 à 24-n peuvent être portées à des tensions et/ou à des fréquences différentes, indépendamment les unes des autres, en étant reliées à autant de générateurs de très haute fréquence électrique que nécessaire.

Ceci fournit une barrette de cellules acousto-optiques élémentaires, se présentant sous forme monolithique, et associées chacune à un transducteur piézo-électrique élémentaire.

Ainsi, en envoyant sur la face libre du matériau 1 un faisceau laser cylindrique OLi de longueur d'onde proche de celle correspondant à l'énergie de seuil d'absorption ou "gap" du matériau du corps 1, on va avoir n ondes acoustiques élémentaires qui interagissent avec les différentes parties du faisceau laser qui sont en regard, pour moduler et défléchir individuellement ces parties.

Si nécessaire, on peut même fixer une seconde barrette de transducteurs élémentaires sur l'autre tranche de la plaquette 1, qui est perpendiculaire à celle que l'on voit sur la figure 3.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits.

D'abord, bien qu'elle soit particulièrement intéressante avec des matériaux semi-conducteurs, l'application de l'invention n'est pas limitée nécessairement à de tels matériaux, pourvu que ceuxci satisfassent les conditions d'avoir un facteur de mérite élevé dans les conditions de travail, en même temps qu'une bonne transmission de la lumière à cette longueur d'onde, en l'absence de faisceau acoustique appliqué.

Par ailleurs, on a indiqué plus haut que l'angle d'incidence du faisceau optique sur le corps 1 doit respecter la condition de
Bragg. L'homme de l'art sait qu'il s'agit là d'un des modes de fonctionnement privilégié des dispositifs acousto-optiques.

Toutefois, et en particulier lorsqu'on s'intéresse à la modulation du faisceau laser direct (ordre de diffraction zéro), il est également envisageable d'utiliser le faisceau optique incident sous incidence normale. La puissance acoustique de modulation s'en trouve réduite.

Par ailleurs, indépendamment des modes d'action déjà décrits sur le corps de travail, comme par exemple en modifier la température, il est également possible d'appliquer à celui-ci un champ électrique, ou bien des contraintes mécaniques statiques supplémentaires. Toutes ces excitations extérieures (température, champs électriques, contraintes mécaniques) ont pour effet de modifier la valeur de l'énergie de bande interdite ou gap, ce qui provoque un changement du facteur de mérite du matériau d'interaction à la longueur d'onde lumineuse de travail.

D'un autre côté, en ce qui concerne le mode de réalisation de la figure 2, il peut être intéressant d'interposer deux plaquettes d'Arséniure de Gallium (ou plus généralement un matériau de même dureté que le corps 1), de part et d'autre du corps 1, entre les blocs de silice 11 et les parties de la plaquette 2, qui sont en contact avec ceux-ci, en respectant bien entendu la planéité de la plaquette 2.

Claims (15)

Revendications

1. Dispositif acousto-optique, du type comprenant: - un corps (1) en matériau capable d' interaction photo-élastique, - des moyens (2) pour appliquer à ce corps une onde acoustique, possédant une première longueur d'onde (Wa), dans une première direction (Oa), - des moyens (3) pour appliquer à ce corps une onde optique incidente, possédant une seconde longueur d'onde (WLi), dans une seconde direction (Oli), - l'interaction photo-élastique produisant au moins une onde optique émergeant du corps, avec une troisième longueur d'onde (WLe), dans une troisième direction (Ole), caractérisé en ce que la seconde longueur d'onde (WLi) est choisie proche par valeurs supérieures du seuil d'absorption optique dudit matériau, tout en permettant une transmission substantielle de l'onde optique (Oli) à travers le corps, malgré cette proximité du seuil d'absorption.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le facteur de transmission de l'onde optique à travers le corps, en l'absence d'onde acoustique, est au moins égal à 40%.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau du corps (1) possède un facteur de mérite au moins égal à environ 100 fois celui de la silice.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps (1) est de forme générale plate, avec deux grandes faces parallèles, son épaisseur étant inférieure au millimètre, tandis que la première direction est parallèle aux deux grandes faces de ce corps.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section droite du corps (1) est de forme générale rectangulaire, et que les côtés de ses grandes faces parallèles ont des dimensions qui sont au plus de l'ordre du centimètre.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (2) pour engendrer l'onde acoustique comprennent un transducteur à très haute fréquence, capable d'opérer sur une large bande, en faisceau étroit.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit transducteur (24, 25, 26) opère à au moins 500 MHz, de préférence au moins 800 MHz, avec une demi-largeur de bande d'au moins 500 MHz.

8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ledit transducteur (24, 25, 26) engendre des ondes de volume, de préférence des ondes planes.

9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la surface en section droite du faisceau acoustique est commprise entre quelques dizaines de micromètres carrés et quelques dizaines de milliers de micromètres carrés.

10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les moyens (2) pour engendrer l'onde acoustique comprennent une barrette de transducteurs (24-1, 24-n) engendrant des faisceaux acoustiques indépendamment ajustables.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les première, seconde et troisième longueurs d'onde, ainsi que les première, seconde et troisième directions sont choisies pour respecter sensiblement la condition de BRAGG.

12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le faisceau optique incident (Oli) est focalisé (32) sur la zone du corps où se propage l'onde acoustique.

13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la seconde direction est sensiblement perpendiculaire à la face d'entrée du faisceau incident dans le corps.

14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le matériau du corps est un semi-conducteur, la seconde longueur d'onde étant dans l'infra-rouge.

15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le faisceau incident est un faisceau laser.