FR2766576A1 - Dispositif d'analyse d'impulsion unique a pas variable - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif d'analyse d'impulsion électrique unique comportant un circuit électrique constitué d'une ligne de propagation comportant, de manière régulière, des interrupteurs optoélectroniques constitués par des plots photoconducteurs, chacun d'entre eux étant relié à une ligne d'analyse correspondante, et un dispositif optique (34-1, 34-2, 34-3, 34-4, 34-5) permettant d'éclairer les interrupteurs avec un faisceau laser, deux interrupteurs voisins étant éclairés de manière successive, non simultanée.

Description

DISPOSITIF D'ANALYSE D'IMPULSION UNIQUE A PAS VARIABLE

DESCRIPTION

Domaine technique L'invention concerne le domaine des échantillonneurs électriques, en particulier pour des impulsions présentant des durées courtes ou très courtes. La métrologie d'impulsions permet de décrire l'évolution temporelle d'un signal, ou d'une impulsion électrique, en particulier de sa tension ou de son énergie, lorsque ce signal, ou cette impulsion, est unique (non répétitive), et très brève (c'est-à-dire présente une durée de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes). De telles impulsions à mesurer sont généralement issues de détecteurs de rayonnement près rapides, qui convertissent en impulsions électriques l'énergie d'une impulsion de rayonnement qu'ils reçoivent, par exemple une impulsion de rayonnement X ou gamma, ou visible, ou infrarouge. De zels rayonnements peuvent être émis par des sources de rayonnement ultrarapides, telles que des lasers ou des sources de rayonnement synchrotron, ou peuvent être le résultat d'une interaction laser-matière provoquée par un laser ultrarapide (c'est-à-dire dont la durée de l'impulsion est du domaine de la picoseconde ou de la femtoseconde). L'invention peut s'appliquer à toute mesure de signal électrique très bref, et non répétitif, en particulier dans la physique d'événements, ou dans la mesure d'événements, générés par des phénomènes picosecondes. Etat de la technique Il existe actuellement sur le marché des oscilloscopes à échantillonnage pour mesure de signaux dont le spectre s'étend jusqu'à 50GHz ou 70GHz. Ces appareils permettent de mesurer des impulsions répétitives. La fréquence d'échantillonnage est

variable, typiquement de 250 KHz à 1 GHz.

Pour mesurer des impulsions uniques, des appareils commercialisés existent sur le marché. Ils

permettent de restituer un spectre jusqu'à 10GHz.

Il est cependant nécessaire, en particulier pour les oscilloscopes, de disposer d'une source de lumière picoseconde synchrone de l'impulsion électrique

à analyser, ce qui limite le domaine d'applications.

On connait également des dispositifs reposant sur le principe de l'échantillonnage spatial d'une

impulsion se propageant sur une ligne de propagation.

Il en résulte une équivalence spatiale de l'évolution temporelle de cette impulsion, qui se propage sur la ligne avec une vitesse dépendant des caractéristiques physiques de celle-ci. A un instant t déterminé, si la ligne est de longueur suffisante, la totalité de l'impulsion est spatialement répartie le long de la ligne. Si des échantillonneurs sont disposés le long de la ligne de propagation, leur actionnement simultané permet de réaliser un échantillonnage complet de l'impulsion, avec un pas temporel égal au pas spatial des échantillonneurs, divisé par la vitesse de propagation. En particulier, le document EP-327 420 décrit un dispositif optoéchantillonneur, qui mesure des signaux de bande passante jusqu'à 35GHz. Ce dispositif est illustré sur la figure 1. Il comporte une ligne de propagation 2 dans laquelle est introduit, et le long de laquelle se propage, un signal impulsionnel 4 à mesurer. Le long de la ligne de propagation sont disposées, de manière régulière, des portes d'échantillonnage 6 en un matériau photoconducteur (CdTe). Ces portes d'échantillonnage sont associées à des lignes de prélèvement 8, chacune étant elle-même suivie d'un moyen de lecture des charges. L'ensemble des moyens de lecture des charges est rassemblé dans un dispositif 10 de lecture des charges. Ces moyens de lecture de charges sont reliés à un ordinateur 12 programmé pour mesurer les charges relatives à cnaque canal et analyser l'impulsion 4. Chaque porte d'échantillonnage 6 est fermée grace à une impulsion lumineuse 14 de déclenchement: il faut autant d'impulsions lumineuses de déclenchement qu'il y a de portes d'échantillonnage. Ce dispositif nécessite donc un flash optique picoseconde de quelques dizaines de

nanojoules pour déclencher l'échantillonnage.

Les échantillonneurs de ce dispositif (des photoconducteurs) prélèvent donc une partie du signal présent à leur niveau sur la ligne. Ils sont placés en

parallèle sur cette ligne de propagation.

Un système d'échantillonnage optoélectronique, incorporant un dispositif du type décrit ci-dessus, a été divulgué dans la thèse de Vincent GERBE (Université Joseph Fourier, Grenoble, 24 Septembre 1993). Ce

système est représenté schématiquement sur la figure 2.

Il comporte un échantillonneur 1, à 16 photocommutateurs, fonctionnant sur le principe décrit ci-dessus en liaison avec la figure 1. Un laser picoseconde, non représenté sur la figure, délivre des impulsions 16, à un rythme de 0,2 Hertz, et à une longueur d'onde de 0,53 pm. Un jeu de miroirs 18-24 constitue un retard optique. Le faisceau est ensuite focalisé au moyen d'une lentille cylindrique 26 sur l'ensemble des photoconducteurs. La surface irradiée

est ainsi de l'ordre de 4cmx100pm.

Une impulsion à analyser (de largeur à mi-

hauteur égale à environ 150 picosecondes) est générée par un détecteur 28 de type GaAs pré-irradié n, éclairé par une partie du faisceau. L'impulsion peut être visualisée, après échantillonnage, sur un dispositif de

visualisation 30.

Le dispositif d'échantillonnage 1 comporte 16 voies d'échantillonnage, le pas d'échantillonnage étant de 18 picosecondes. La ligne principale a une longueur

L=40 mm pour une longueur utile Lu=32 rom.

Un tel dispositif est figé en ce qui concerne la longueur totale de l'impulsion que le dispositif est capable d'analyser. De même, il est figé en ce qui concerne le pas d'échantillonnage et donc la précision avec laquelle on veut analyser l'impulsion: en effet, l'intervalle d'échantillonnage AT est égal à P, o p Vc est la distance entre deux photoconducteurs et Vc la

vitesse de propagation du signal dans la ligne 2.

De plus, l'impulsion laser ultrarapide (largeur temporelle comprise entre 1,2 et 1,O picosecondes, et énergie par impulsion comprise entre 200 et 300 pjoules) a une forme elliptique (43x0,4 mm2), soit une surface d'environ 7 m2. Or, chaque plot photoconducteur a une dimension de l'ordre de x20gm2, soit une surface d'environ 2.10-3mm2 par photoconducteur. Pour chaque photoconducteur, le rendement, défini par le rapport entre la puissance injectée et la puissance utile, est donc très faible. Il est donc souhaitable de trouver un système optique permettant d'augmenter le rendement de la

puissance injectée/puissance utile.

Un autre problème lié à l'interface optique de ce système est l'utilisation d'une lentille cylindrique 26: le laser, ici un laser YAG doublé en fréquence, a une stabilité moyenne d'un coup sur l'autre, et cette instabilité s'ajoute à celle créé par l'utilisation de la lentille. Les plots photoconducteurs ne reçoivent donc pas, à chaque tir laser, la même énergie. Il serait donc souhaitable de disposer d'une interface optique permettant d'atténuer l'influence des instabilités spatiales, tout en ayant une mise en

oeuvre simple.

Exposé de l'invention L'invention a tout d'abord pour objet un dispositif d'analyse d'impulsion électrique unique comportant un circuit électrique constitué d'une ligne de propagation comportant, de manière régulière, des interrupteurs optoélectroniques constitués par des plots photoconducteurs, chacun étant relié à une ligne d'analyse correspondante, et un dispositif optique permettant d'éclairer les interrupteurs avec un faisceau laser ou des portions d'un faisceau laser, deux interrupteurs voisins étant éclairés de manière

successive, non simultanée.

On réalise donc un échantillonnage successif des photoconducteurs, ce qui permet, avec une même structure de propagation, d'échantillonner avec un pas plus faible ou plus grand que celui correspondant à l'espacement des lignes sur la structure. Ainsi, le dispositif optique permet d'utiliser le dispositif d'analyse dans des gammes variables en ce qui concerne la longueur totale de l'impulsion qu'il est capable d'analyser, et le pas d'échantillonnage (donc la précision) avec lequel on veut analyser l'impulsion. L'invention a aussi pour objet un dispositif d'analyse d'impulsion électrique unique comportant un circuit électrique constitué d'une ligne de propagation comportant, de manière régulière, des interrupteurs optoélectroniques constitués par des plots photoconducteurs, chacun d'entre eux étant relié à une ligne d'analyse correspondante, et un dispositif optique permettant d'éclairer les interrupteurs avec des portions d'un faisceau laser, chaque portion du faisceau correspondant à un interrupteur, ce dispositif optique introduisant un retard optique entre deux portions voisines de faisceau laser correspondant à deux photoconducteurs voisins de la ligne de

propagation.

L'utilisation d'une optique présentant des retards optiques (positifs ou négatifs) permet d'utiliser le dispositif électro-optique dans des gammes variables en ce qui concerne: - la longueur totale de l'impulsion que le dispositif est capable d'analyser, - le pas d'échantillonnage et donc la précision avec

laquelle on veut analyser ladite impulsion.

Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif optique comporte un faisceau de fibres

optiques de longueur variable d'une fibre à l'autre.

Ce système est aisément interchangeable. Si, d'une fibre à l'autre, la longueur totale est augmentée de Ae, on va varier l'intervalle d'échantillonnage d'environ +_A/Vf, o Vf est la vitesse de propagation de la lumière dans la fibre. De plus, le rendement en énergie de ce système est meilleur que dans le cas o une lentille cylindrique seule est utilisée. Ce système

a en outre une mise en oeuvre très simple.

Les fibres peuvent être positionnées dans des

rainures d'un substrat gravé.

Des moyens de focalisation peuvent en outre être disposés en sortie des fibres optiques, par exemple dans une rainure ou des cavités gravées dans un substrat. Avantageusement, les fibres sont maintenues d'un côté dans un tube de maintien et, de l'autre côté,

dans un dispositif de maintien.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif optique comporte un répartiteur d'énergie

constitué de guides optiques réalisés dans un substrat.

Le rendement du système est alors très bon.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif optique comporte un réflecteur muni de zones réfléchissantes disposées de manière à introduire un

retard optique.

Le système a alors un rendement en énergie meilleur que celui utilisant une lentille cylindrique seule. Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif optique comporte un dispositif en escalier introduisant un retard d'une portion de faisceau à l'autre. L'invention a également pour objet un dispositif d'analyse d'impulsion électrique unique comportant un circuit électrique constitué d'une ligne de propagation comportant, de manière régulière, des interrupteurs optoélectroniques constitués par des plots photoconducteurs, chacun étant relié à une ligne d'analyse correspondante, et un dispositif optique permettant d'éclairer les interrupteurs avec un faisceau laser, ce dispositif optique comportant un miroir plan situé parallèlement à la ligne de

propagation et aux lignes d'analyse.

Le rendement d'un tel dispositif est meilleur qu'avec une lentille cylindrique seule. Ce système est en outre très flexible pour pouvoir analyser des impulsions courtes ou longues, et ceci quel que soie le

pas p des photoconducteurs le long de la ligne.

Quel que soit le mode de réalisation envisagé, les photoconducteurs peuvent être disposés le long de la ligne de propagation selon un pas D supérieur au pas pm défini par: 2(pm - L) = t Vc o L est la largeur d'une ligne d'analyse, V, la vitesse de propagation d'un signal électrique dans la ligne de propagation et t le temos de recombinaison

moyen des photoconducteurs.

Ceci permet d'cviter que le retour d'une imoulsion électrique, dû à une inadaopation d'impédance

à chaque plot, ne perturbe le signal échantillonne.

Par ailleurs, on dispose de préférence les n plots photoconducteurs selon un pas p le long de la ligne de propagation, une distance b séparant le premier plot de la ligne de d'extrémité de la ligne, la relation suivante étant satisfaite pour tout plot N(2<N<n) et pour tout k, l<k<N-1: 2b#kAtVó-p[k+2(n-N)] o Vc désigne la vitesse de propagation d'un signal électrique dans la ligne et o At est la durée de l'intervalle de temps séparant l'éclairement, par le

faisceau laser, de deux plots voisins.

Ainsi, on évite de perturber l'échantillonnage sur tout les plots photoconducteurs lorsqu'on illumine

l'un des plots.

De même, les plots sont de préférence disoosés le long de la ligne selon un pas ?, la durée At de l'intervalle de temps séparant l'éclairement, par le faisceau laser, de deux plots voisins, étant telle que: P At

-JE

vc o Vc est la vitesse de propagation d'un signal

électrique dans la ligne de propagation.

La deuxième perturbation créée par chaque impulsion lumineuse, sur chaque plot, ne perturbe alors

pas l'échantillonnage des autres plots.

Brève description des figures

De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîiront mieux à la

lumière de la description qui va suivre. Cette

description porte sur les exemples de réalisation,

donnés a titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un optoéchantillonneur de l'art antérieur, - la figure 2 représente un système optoéchantillonneur de l'art antérieur, - les figures 3 à 8 concernent un premier mode de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre des fibres optiques, - la figure 9 représente un second mode de HIl réalisation de l'invention, avec une optique guidée, - les figures 10 et 11 concernent un troisième mode de réalisation de l'invention, avec des surfaces réfléchissantes, - la figure 12 concerne un quatrième mode de réalisation dans lequel le faisceau parallèle, de longueur d'onde d'éclairement des photoconducteurs étant fixe, passe au travers d'un prisme, - les figures 13 et 14 concernent un cinquième mode de réalisation de l'invention, avec un escalier optique, les figures 15 à 17 illustrent la propagation de perturbations le long de la ligne de propagation, - la figure 18 représente une ligne de propagation avec une partie rectiligne et une partie à

virage, ou en "S".

Description détaillée de modes de réalisation de

l'invention Selon l'invention, on ne réalise pas, dans un optoéchantillonneur du type décrit ci-dessus en liaison avec la figure 1, un éclairement simultané des photoconducteurs, mais on réalise un éclairement successif des photoconducteurs. Si l'éclairement est réalisé à des instants successifs séparés de At, le photoconducteur i est illuminé à l'instant: ti=T0+ (n-i) At, o To représente l'instant d'éclairement du

photoconducteur n.

L'intervalle d'échantillonnage AT du signal électrique est donc: - si le premier plot illuminé est le premier plot vu par le signal: AT=At-p/Vc si le premier plot illuminé est le dernier plot vu par le signal: AT=At+p/Vc, o p est le pas entre deux photoconducteurs voisins et Vc est la vitesse de déplacement du signal dans la

ligne de propagation.

Dans le premier cas, AT peut être négatif ou positif. Ainsi, suivant les cas, l'échantillonnage successif des photoconducteurs permet, avec une même structure de propagation, d'échantillonner avec un pas plus faible ou plus grand que celui correspondant à

l'espacement des lignes sur la structure.

Un premier mode de réalisa-ion va être décrit en liaison avec la figure 3. Sur cette figure, les références 32-1,...., 32-5 désignent des plots photodétecteurs d'un dispositif d'analyse du type décrit ci-dessus en liaison avec la figure 1. On réalise un faisceau de n fibres (n=-nombre de plots photodetecteurs) qui s'épanouissent dans un système de positionnement linéaire, avec un pas correspondant au pas p des plots. L'extrémité libre de chacune des fibres 34-1,..., 34-5 fait face à un plot photodétecteur. Les dimensions de chacun des plots sont de gxl, o g désigne le "gap", ou espacement, et o 1 désigne la largeur du plot. Typiquement, on a: g=50im, l=120m. g doit être suffisamment grand pour éviter une déformation du signal se propageant sur la ligne par

influence capacitive des lignes d'échantillonnage.

Cependant, un g trop important diminue la sensibilité

du système.

Par ailleurs, les plots sont espacés les uns des autres d'un certain pas, défini par l'intervalle de l'échantillonnage voulu (par exemple un pas de 700 pm

correspondant à AT=6 picosecondes).

Les fibres sont de longueur croissante, de préférence régulièrement croissante: la longueur de la fibre 34-1 est supérieure à celle de la fibre 34-2, qui est elle-mème supérieure à celle de la fibre 34-3, etc. La distance entre les sorties des fibres et les plots

photodétecteurs du dispositif d'analyse est constante.

De préférence, les fibres sont des fibres multimodes à gradient d'indice, ce qui permet d'obtenir une dispersion assez faible. Ce son: par exemple des fibres de diamètre de coeur 100 pm, de diamètre de manteau 140pm et d'ouverture numérique 0,29 (fibres "PSI") ou bien des fibres de diamètre de coeur 50,5um, de diamètre de manteau 125um et d'ouverture numérique 0,21 (fibres de tvoype "NSG") La figure 4 reorésente, en perspective, le positionnement de deux fibres 34-1, 34-2 face à une barrette 32 de ohotodétecteur. Une lentille 36-1, 36-2 peut être disposée sur le trajet du faisceau, entre la face de sortie de chacune des fibres et le plot

photodétecteur correspondant.

De préférence, les faces de sortie des fibres se trouvent à plus de 0,5 mm des photodétecteurs 35-i o de la barrette 32 de photodétecteurs. A une telle distance, il n'y a aucun problème de perturbation du signal électrique circulant dans la ligne et, d'autre part, on peut ainsi s'affranchir des problèmes que pourraient poser des défauts de planéité dans

différents éléments.

De préférence, on cherche à obtenir sur la barrette 32 un diamètre à mihauteur, pour chaque faisceau, sensiblement égal à g (par exemple 50pm), ce que permettent de réaliser les lentilles de

focalisation 36-1, 36-2.

Les fibres peuvent être intégrées dans un bloc

de fibres les maintenant.

De même, une barrette peut intégrer les n lentilles 36-1, 36-2 espacées au pas p des plots, ce

aui simplifie le positionnement de!'ensemble.

La figure 5 représente un montage comportant une barrette 32 de photodétecteur, une barrette 36 de

lentille, et un dispositif 34 de maintien des fibres.

La distance D entre la barrette de lentille 36 et la barrette 32 de photodétecteurs est, comme on l'a dit

plus haut, de préférence supérieure ou égale à 0,5 mm.

La distance d entre la barrette de lentille e: le dispositif de maintien des fibres peut être variable: elle peut être par exemple égale à 0 (les deux disoositifs 34 et 36 sont alors collés l'un sur l'autre). Un autre disoositif 38 de oositionnement linéaire et de maintien des fibres est illustré en figure 6. Ce dispositif comporte un substrat usiné 40, par exemple en céramique. L'usinage permet de réaliser un canal 42 pour chaque fibre. Des moyens de focalisation, par exemple des billes, peuvent être également maintenus par ce substrat. Par exemple, sur la figure 6, un canal 44 est prévu pour introduire et maintenir une bille de focalisation, en sortie de la fibre. La figure 7 représente le support 38 dans lequel est introduit une fibre 46 et une bille de focalisation 48. Le support 38 permet le positionnement et le collage des billes dans la rainure 44. A la place de la rainure, on peut prévoir des microcavités. De même, les fibres sont collées dans les canaux 42 prévus à cet effet. La figure 8 représente le montage des fibres, d'une part dans un tube de maintien 50 (du côté d'injection du faisceau laser dans les fibres) et d'autre part dans un dispositif 52 de maintien et de

positionnement linéaire des fibres.

Les fibres sont par exemple longues d'environ cm et sont rassemblées en un faisceau qui est placé en face du laser qui délivre les impulsions, par exemple un laser YAG doublé (fréquence égale 530 nm) Un tel dispositif laser peut fournir une impulsion subpicoseconde. Si on souhaite déposer quelques nanojoules sur chaque plot photoconducteur (ce qui est nécessaire pour réaliser une importante baisse de résistivité du photoconducteur) la ouissance a la sortie de chaque fibre est donc de l'ordre de quelques

kilowatts.

Les fibres multimodes utilisées, à gradient d'indice (ce qui permet d'obtenir une faible dispersion et d'injecter beaucoup de puissance) ont une tolérance entre elles de 100pm en longueur (ce qui correspond à 0, 5 picoseconde dans la fibre). De préférence, les fibres sont dégainées dans le tube 50 de maintien collectif et gainées dans le substrat 52 de positionnement linéaire. Un autre mode de réalisation de l'invention va être expliqué en liaison avec la figure 9. Ce mode de réalisation fait intervenir un guidage optique du faisceau laser dans un répartiteur d'énergie 51. La figure 9 montre un répartiteur de 1 vers 8. Des guides optiques 53-1, 53-2, 53-3,... sont formés par exemple de zones diffusées d'argent, enterrées dans un substrat en verre, comme décrit par F. ST ANDRE, P. BENECH, A. KEVORKIAN "Modelisation of a semileaky waveguide, SPIE, vol. 1583 (1981) On utilise de préférence des guides multimodes. Cependant, des guides monomodes en potassium peuvent être également utilisés. La longueur des différents guides permet d'obtenir, en sortie du

répartiteur 51, les décalages temporels voulus.

Une autre manière d'obtenir un dispositif pour former les impulsions lasers décalées dans le temps est de réaliser une structure réfléchissante en escalier, comme illustré sur la figure 10. Sur cette figure, la référence 32 désigne encore une barrette de photoconducteurs 32-1, 32-2, 32-3. Un faisceau laser

impulsionnel 54 traverse une lentille cylindrique 56.

Des zones réfléchissantes 58-1, 58-2, 58-3 permettent de diriger des portions du faisceau laser sur chacun des éléments ophotoconduc:eurs. Les zones réfléchissantes sont disposées de manière à ce que le trajet optique, d'un faisceau à l'autre, soit croissant: ainsi les photoconducteurs ne sont pas illuminés en même temps, mais à des instants différents. L'intervalle d'échantillonnage entre deux

illuminations successives est fixe.

Ce mode de réalisation est encore illustré sur la figure 11. Les zones réfléchissantes 58-1, 58-2, 58-3 sont réalisées à la surface d'un support 60 de côté H et D. L'arête inférieure du support est disposée

à une distance E de la barrette 32 de photoconducteurs.

Si les photoconducteurs sont en nombre n, on prend: H=nxl et D=(n- 1)xp+l, o p et 1 désignent respectivement le pas du réseau de photoconducteur et la largeur d'un photoconducteur. L'intervalle d'échantillonnage AT est alors égal à: - AT=(p-l)/c-p/Vó quand le signal est injecté dans la direction 62, - AT=(p-l)/c+p/Vc quand le signal est injecté dans la

direction 64.

Dans ces formules, c est la vitesse de la lumière (1,3 mm par picoseconde) et Vc la vitesse de propagation du signal électrique dans la ligne 32 (pour

une céramique Vc=l mmx 8,5 picosecondes).

On peut donc ajuster le pas p en fonction de l'intervalle AT voulu pour l'un ou l'autre des sens de

déplacement du signal.

La distance E n'intervient pas pour une variation de AT. On peut donc placer le miroir en escalier assez loin de la barrette de photoconduc:eurs 32. On voit que, pour des pas raisonnables, on oeut avoir des AT variés et petits. Ce système permet d'obtenir un meilleur rendement en énergie qu'avec une

lentille cylindrique seule.

D'autres modes de réalisation mettent en oeuvre les différences de vitesses d'une impulsion laser dans

le verre et dans l'air: Verre,200m/ps, c=300pm/ps.

Dans un mode de réalisation illustré sur la figure 12, le faisceau parallèle, de longueur d'onde d'éclairement des photoconducteurs étant fixe, passe au

travers d'un prisme d'angle au sommet c.

Deux faisceaux destinés à éclairer deux plots photoconducteurs distants de p, suivant des trajets dont la longueur géométrique a pour différence psinc si le faisceau entre et sort normalement à la surface

d'entrée et de sortie respectivement.

Deux plots successifs sont alors éclairés avec p sin a un décalage temporel t = v, V étant la vitesse de

la lumière dans le prisme.

Un autre mode de réalisation est illustré sur la figure 13 o la référence 56 désigne encore une lentille cylindrique. Le faisceau laser 54 rencontre sur son trajet un escalier en verre 66 dont les marches ont une hauteur m, chaque marche correspondant à un plot photoconducteur d'une barrette 32 de photoconducteurs. L'escalier est situé à une distance E de la barrette 32. A chaque marche, et pour chaque plot photoconducteur, l'impulsion a un retard, par rapport à l'impulsion correspondant au plot précédent, de: AT=(m/Vve:e)- (m/c)=mx(c-ve-.:e) /(VverreXc) L'intervalle d'échantillonnage AT est donc: - AT=At-p/Vc, quand le signal est injecte suivant la direction 62, et - AT=At+p/Vc, quand le signal est injecté dans le sens 64. Afin d'éviter des réflexions indésirables, il est possible d'utiliser un escalier 68 ayant la forme illustrée sur la figure 14. Les plans 68-1, 68-2,68-3 des différentes marches, que traversent les différentes portions du faisceau laser, sont reliés par des surfaces planes qui ne leur sont pas perpendiculaires,

mais inclinées d'un angle x par rapport à la normale.

Dans ce mode de réalisation, des escaliers avec une hauteur de marche m différente donnent des intervalles d'échantillonnages AT qui varient. De même, m constant, une variation du pas p permet de faire

varier AT.

Quel que soit le système retenu, une portion du faisceau laser va déclencher chaque photoconducteur de la barrette de photoconducteurs. Soit t le temps de recombinaison de chaque photoconducLeur (on considère par exemple des photoconducteurs rapides pour lesauels, t-O,7 picoseconde). La figure 15 reorésente deux photoconducteurs 32-1, 32-2, avec les lignes d'échantillonnage correspondantes 33-1, 33-2, de largeur L. Le pas de la barrette de photoconducneurs est p. L'impulsion électrique se propageant dans la ligne 2, va subir, à chaque plot, une variation d'impQdance, et donc une réflexion. Afin d'éviter eue le retour de l'impulsion électrique, causée par cette réflexion, ne soin pris en compte, on prend un pas pn

minium défini par: 2x(pn-L)/Vc=t.

Ainsi, si la largeur des lignes L est de 120pm, et Vc=118pm/ps, on a un pas minimum, pour t=0,7 ps,

d'environ 160pm.

Cette condition permet donc d'éviter le retour d'une perturbation, à partir du plot 32-2, qui est

gênante si le photoconducteur 32-1 est encore ouvert.

Par ailleurs, il est préférable d'éviter les perturbations créées par la lecture d'un plot photoconducteur. Comme illustré sur la figure 16, deux perturbations sont créées lors de l'illumination d'un plot 32-1. Leur largeur est sensiblement égale à L, la largeur du plot. Ces deux perturbations 74, 76 partent dans des sens contraires, à la même vitesse que la

vitesse de propagation du signal. On va considérer le cas o AT=At+p/Vó.

De plus, on va considérer le schéma de la figure 17 o une illumination est créée au plot photoconducteur n, ce qui entraine la naissance d'une

perturbation 74 se déplaçant dans le sens du signal.

Si, à l'extrémité 78 de la ligne, l'adaptation d'impédance n'est pas idéale, une réflexion de cette

perturbation va s'y produire.

Afin que cette perturbation 74 créée au plot n n'arrive pas au plot précédent n-1 quand il sera illuminé à son tour At plus tard, et que, de même, elle ne soit pas sur le plot n-2 quand il sera éclairé, à son tour, 2At plus tard, etc., on cherche à réaliser la condition: - (2b- p) /Vc At, - (2b+2p)/VcÉ2At,

- (2b+(n-l)p)/VcÉ(n-l) At.

De même, l'impulsion créée au plot n-1 ne doit pas se trouver sur le plot n-2 lors de sa lecture, ni sur le plot n-3 lors de sa lecture, etc. Cela signifie le respect des conditions suivantes: - (2b+2p+ p) /VcAt, (2b+2p+2p) /Vc,2At, - (2b+2p+(n-1)p)/VcÉ(n-1) At Par conséquent, si l'on ne veut pas mesurer, à un moment ou à un autre, les perturbations de retour (du type de la perturbation 74), la perturbation créée au plot N (2<N<n) ne doit pas se trouver sur un plot lors de sa lecture: (2b+kp+2(n-N)p)/Vc)ÉkAt, pour l<k<N-1

soit, encore: 2b-kAtVc-p(k+2(n-N)).

En ce qui concerne la perturbation 76 (se propageant dans l'autre sens), on souhaite éviter que, créée par le flash au plot n, elle soit sur un autre plot quand cet autre plot sera éclairé. Cela signifLie que: p/VcAt. Un exemple de réalisation va être donné, permettant l'analyse d'impulsions avec les intervalles d'échantillonnage de 9 picosecondes (ce cui correspond à une fréquence d'environ 50 gigahertz) et 64 poin:s de mesure. Sans retard optique, sur une ligne de propagation rectiligne, il faut des longueurs utiles de 6,8 cm (longueur du premier plot au dernier). Cette longueur est trop importante pour deux raisons. D'une part, les substrats standards en saphir ou alumine ont des diamètres de 5 cm (il est cependant possible d'en trouver des plus grands et même des rectangulaires mais on perd énormément en homogénéité des couches déposées de semiconducteurs rapides). D'autre part, l'atténuation du signal sur une telle longueur est très importante, et ce d'autant plus que la fréquence est élevée (atténuation d'environ -ldB sur une ligne de 1 cm à 30 GHz). On cherche donc à diminuer la longueur utile, et à retarder les impulsions laser pour faire un

intervalle d'échantillonnage de 9ps.

On peut considérer un pas de 180 pim,

correspondant à un temps de 1,5 pm dans la céramique.

Pour 64 points, cela correspond à une longueur utile de 1,13 cm. Dans le cas o le premier plot éclairé est le dernier vu par le signal, il faut donc un retard d'impulsion laser de (9-1,5)ps soit At=7,5 ps Pas AT = At +. En prenant le faisceau de fibres VCéramique (décrit ci-dessus en liaison avec la figure 8) comme solution optique, il faut une différence de longueur A!=1,5 mm entre deux fibres consécutives, ce qui fait une différence totale de 9,45 cm (entre la fibre la plus longue et la plus courte, pour 64 points, donc avec 64 fibres). On obtient une atténuation d'environ -1,5dB pour une fréquence de 50GHz, ce qui est très

raisonnable.

On peut vérifier si les perturbations réfléchies en bout de ligne à cause d'une mauvaise adaptation ne sont pas mesurees. On a les conditions suivantes: n=64, N varie de 2 à 64, At=7,5ps, p=180pm,

Vceramrque=118pm/ps.

*( J 8 = = 1,5ps É At choisi de 7,5ps

VC 118

Vc (2b + kP + 2(64 - N)P 2bÉkAtVc-p[k+2(64-N)] Pour cette condition là, la distance b minimum ennuyeuse est de 172,5 pm et la distance b maximum

ennuyeuse est de 2,22cm.

En conclusion, le dispositif proposé a une longueur totale de ligne telle que: Ltot=180*(nombre points) + bchoisi, soit (64x180+ 25000)=36520pm=3,652cm L'interface optique est un système de 64 fibres dont l'écart de longueur, entre deux fibres voisines,

est de 1,5 mm. Elles peuvent être positionnées vis-à-

vis des plots avec un système de positionnement

linéaire.

L'avantage d'un tel dispositif est de pouvoir analyser des impulsions encore plus longues, soit en gardant 64 points eL en augmentant le retard d'illumination d'un plot à l'autre (solution II), soit en augmentant le nombre de points et en gardant le retard d'illumination d'une fibre à la suivante (solution III). Ces deux solutions, avec la première (I) expliquee ci-dessus, sont décrites dans le tableau ci-dessous. Pour les solutions II e: III, la longueur totale est plus iomportante que la dimension d'un substrat standard. Cela n'est pas important du moment que la ligne de mesure (Lule) puisse être mise de façon rectiligne sur le substrat: la portion de la ligne, de longueur b, est alors disposée en "virages" comme illustré sur la figure 18. Sur cette figure, la portion rectiligne est désignée par la référence 2. Les lignes

d'échantillonnage sont situées dans la zone 80.

Les solutions II et III pour analyser des signaux électriques longs permettent de mesurer des impulsions de l'ordre de 2 ns. La solution III a un avantage par rapport à la solution II, il s'agit de sa résolution très élevée (220 points au lieu de 64 points), mais une telle résolution n'est pas forcément

toujours nécessaire.

TABLEAU I

SOLUTION I II III

Pas (pm) 180 180 180 AT(ps)(éclairement 1,5 1,5 1,5 simultané) nombre de points 64 64 120 AT voulu (ps) 9 30 9 At(ps) 9-1,5=7,5 30-1,5=28,5 9-1,5=7,5 Al d'une fibre à 7, 5psx0,2mm/ps=l,5 28,5psxO,2mm/ps=5,7 7,5psx0,2mm/ps=1,5 l'autre (mm) Al max (cm) 0,15cmx(64-1)=9,45 0,57cmx(64-1)=35,91 0, 15cmx(220-1)=32,85 Dispersion maxi 9,45xl/50;0,2 35,91xl/50;0, 72 32,85x(220-1) 0,66 (ps) Pas 180 18018 __Pas 180 =],5ps 180 = 1,Sps 180 = 1,5ps VCérarmique 118 118 118 Vcéranmi ue É Ao t At de 7,5 ps É At de 28,5 ps At de 7,5 ps binax 2,22 10, 026 7,75 ennuyeuse (cm) Bchoisi (cm) 2, 5 10,1 7,8 Lutile (cm 64x0,0180=1,15 64x0,0180=1,15 220x0,0180=3,96 Ltotale (cm) 2,5+(64x0,0180)=2,5+ 10, i+(64x0,0180)=10,1 7,8+(220x0, 0180)=7,8+3,96

l,150=3,65 +1,150=11,25 =11,79 -

Longueur totale de 63x9=567ps 63x30=1,89 ns 219x9=1,971 ns O G) l'impulsion e La longueur totale est supérieure ou égale à nxp+longueur d'1 plot

IIII I I

On peut noter une différence maximum de longueur de fibre assez importante entre les solutions II et III. Cela donne une dispersion de l'ordre de +0,7 ps pour l'impulsion arrivant la dernière par rapport à la première impulsion générée. Cela signifie qu'au fur et à mesure, le temps d'échantillonnage est augmenté. Un échantillonneur de 64 points à un pas de pm assorti avec différents faisceaux de fibres parait donc une bonne solution. Il permet une mesure d'impulsion peu déformée et surtout une bonne flexibilité quant à l'intervalle d'échantillonnage. En effet, on peut faire varier l'intervalle d'échantillonnage de moins de 9 ps à plus de 30 ps et donc la largeur de l'impulsion que l'on peut mesurer

variera de moins de 567 ps à plus de 1,89 ns.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'analyse d'impulsion électrique unique comportant un circuit électrique constitué d'une ligne de propagation (32) comportant, de manière régulière, des interrupteurs optoélectroniques constitués par des plots photoconducteurs (32-1, 32-2, 32-3,....), chacun d'entre eux étant relié à une ligne d'analyse correspondante, et un dispositif optique (34, 36, 56, 58-1, 58-2, 58-3, 66, 68, 70, 72) permettant d'éclairer les interrupteurs avec un faisceau laser ou des portions d'un faisceau laser, deux interrupteurs voisins étant éclairés de manière successive, non simultanée.

2. Dispositif d'analyse d'impulsion électrique unique comportant un circuit électrique constitué d'une ligne de propagation (32) comportant, de manière régulière, des interrupteurs optoélectroniques constitués par des plots photoconducteurs (32-1, 32-2, 32-3,...), chacun d'entre eux étant relié à une ligne d'analyse correspondante, et un dispositif optique (34, 36, 56, 58-1, 58-2, 58-3, 66, 68, 70, 72) permettant d'éclairer les interrupteurs avec des portions d'un faisceau laser, chaque portion du faisceau correspondant à un interrupteur, ce dispositif optique introduisant un retard optique entre deux portions voisines de faisceau laser correspondant à deux

photoconducteurs voisins de la ligne de propagation.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1

ou 2, le dispositif optique comportant un faisceau de fibres optiques (34-1, 34-2,..., 34-5) de longueur

variable d'une fibre à l'autre.

4. Dispositif selon la revendication 3, les fibres optiques étant positionnées dans des rainures

(42) d'un substrat gravé (40).

5. Dispositif selon l'une des revendications 3

ou 4, des moyens de focalisation (36-1, 36-2) étant

disposés en sortie des fibres optiques.

6. Dispositif selon les revendications 4 et 5,

les moyens de focalisation étant positionnés dans une rainure (44) ou dans des cavités gravées dans le

substrat (40).

7. Dispositif selon la revendication 4 ou 6,

les moyens de focalisation étant des billes (48).

8. Dispositif selon la revendication 3, les fibres optiques étant maintenues d'un côté dans un tube de maintien (50) et, de l'autre côté, dans un

dispositif de maintien (52).

9. Dispositif selon l'une des revendications 1

ou 2, le dispositif optique comportant un répartiteur d'énergie constitué de guides optiques réalisés dans un

substrat.

10. Dispositif selon la revendication 9, les guides optiques étant des guides monomodes en potassium.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1

ou 2, le dispositif optique comportant des zones réfléchissantes (58-1, 58-2, 58-3) d'un réflecteur (60), disposés de manière à introduire un retard

optique régulier.

12. Dispositif selon l'une des revendications 1

ou 2, le dispositif optique comportant un dispositif en escalier (66, 68) introduisant un retard d'une portion

de faisceau à l'autre.

13. Dispositif selon la revendication 12, les marches (68-1, 68-2, 68-3) de l'escalier (68) étant reliées par des surfaces planes inclinées par rapport à

la normale des marches.

14. Dispositif d'analyse d'impulsion électrique unique comportant un circuit électrique constitué d'une ligne de propagation (32) comportant, de manière régulière, des interrupteurs optoélectroniques constitués par des plots photoconducteurs (32-1, 32-2, 32-3,...), chacun d'entre eux étant relié à une ligne d'analyse correspondante, et un dispositif optique permettant d'éclairer les interrupteurs avec un faisceau laser (54), ce dispositif optique comportant un miroir plan (70) situé parallèlement à la ligne de

propagation et aux lignes d'analyse.

15. Dispositif selon la revendication 14, comportant en outre des moyens (72) de focalisation d'un faisceau laser (54) et un filtre pour compenser des pertes du faisceau dues à des réflexions sur les

plots photoconducteurs et sur le miroir (70).

16. Dispositif selon l'une des revendications

précédentes, les photoconducteurs étant disposés le long de la ligne de propagation selon un pas p supérieur au pas Pm défini par: 2(pm - L) = t Vc o L est la largeur d'une ligne d'analyse, Vc la vitesse de propagation d'un signal électrique dans la ligne de propagation et t le temps de recombinaison

moyen des photoconducteurs.

17. Dispositif selon l'une des revendications

précédentes, les plots photoconducteurs étant en nombre n disposés le long de la ligne de propagation selon un pas p, une distance b séparant le premier plot de la ligne de l'extrémité de la ligne, la relation suivante étant satisfaite pour tout plot N(2<N<n) et pour tout k, l<k<N- 1: 2bÉkAtVc-p[k+2(n-N)] o Vc désigne la vitesse de propagation d'un signal électrique dans la ligne et o At est la durée de l'intervalle de temps séparant l'éclairement, par le

faisceau laser, de deux plots voisins.

18. Dispositif selon l'une des revendications

précédentes, les plots photoconducteurs étant disposés le long de la ligne de propagation selon un pas p. la durée At de l'intervalle de temps séparant l'éclairement, par le faisceau laser, de deux plots voisins, étant telle que: É At Vc o Vc est la vitesse de propagation d'un signal

électrique dans la ligne de propagation.