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RÉSUMÉ
L'optoélectronique-hyperfréquence impose de disposer de photodétecteurs et de commutateurs optiques à hautes performances. En effet, les photodétecteurs rapides de forte puissance optique et les commutateurs optiques directionnels, c'est-à-dire jouant le rôle d'aiguillage optique, sont susceptibles d'être des dispositifs de base pour les systèmes opto-hyperfréquences. Le but de cet article est de présenter les avancées récentes dans le domaine des photodétecteurs rapides susceptibles d'être utilisés en opto-hyperfréquences, d'en donner leur principe de fonctionnement et les performances maximales avec les limitations fondamentales dans le contexte opto-hyperfréquence, ainsi que les différentes technologies de commutateur, en évaluant à chaque fois leur adéquation aux applications opto-hyperfréquences.
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Didier DECOSTER : Professeur IEMN, CNRS & Université de Lille 1, France
INTRODUCTION
Les photodiodes classiques, à structure PIN, sont les composants les plus courants. Cependant, l'exigence de la montée en fréquence, notamment pour un fonctionnement dans le domaine millimétrique, implique des photodiodes petites, pour réduire les limitations dues à la capacité et au temps de transit des photoporteurs. Il en résulte, pour les photodiodes PIN ultrarapides, une diminution du rendement quantique et de la puissance optique acceptable par la photodiode. C'est pourquoi des solutions alternatives ont été étudiées. Parmi celles-ci, on peut citer les photodiodes MSM pour leur fréquence de coupure élevée, les PIN de type guide d'onde pour le compromis fréquence élevée/rendement quantique, les photodiodes UTC pour la puissance et les phototransistors à hétérojonction pour leur gain à fréquence élevée, mieux adaptés aux liaisons analogiques que les photodiodes à avalanche. Dans ce qui suit, nous présentons successivement ces différents types de photodétecteurs en commençant par les structures PIN.
Nous nous intéressons aussi à la commutation optique directionnelle, c'est-à-dire au contrôle de la direction d'une onde optique. En terme de dispositif, le commutateur ou la matrice de commutation implique qu'un signal optique injecté à une entrée sera dirigé vers l'une ou l'autre des sorties selon les besoins. C'est en fait une espèce « d'aiguillage » optique. Les technologies permettant ce changement de direction peuvent être classées selon deux catégories : les microsystèmes et la commutation fondée sur la variation d'indice des matériaux. Nous présentons successivement les deux approches, et nous précisons les différents phénomènes physiques permettant de moduler l'indice de réfraction d'un matériau : thermique, acousto-optique, magnéto-optique, électro-optique. Nous explicitons les principales structures de commutateur à onde guidée : réflexion totale, couplage de mode, transformation adiabatique de mode, puis nous expliquons les différentes topologies de matrice de commutation. Nous terminons par l'amplification optique, les cristaux liquides et le tout optique, qui sont des technologies différentes des précédentes.
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- Version archivée 1 de nov. 2003 par Béatrice CABON, Jean CHAZELAS, Daniel DOLFI
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2. Commutation optique
2.1 Microsystèmes
On les appelle quelquefois MOEMS pour Micro-Opto- Electro-Mechanical Systems. Ils contiennent des micro-objets capables de se déplacer ou de pivoter par l'action d'un signal électrique. Les micro-objets sont par exemple des lentilles, des miroirs, des prismes, des réseaux de diffraction ou même des guides ou des fibres qui se déplacent. Les actionneurs peuvent être électrostatiques, thermiques ou magnétiques.
Ces dispositifs sont caractérisés par de faibles pertes d'insertion, une bonne diaphotie ou isolation optique et une consommation raisonnable. Ces dix dernières années, les progrès sont incontestables. À titre d'exemple, la société Polatis ( http://www.polatis.com) propose une matrice 192 × 192 à moins de 2 dB de pertes d'insertion avec un temps de commutation de l'ordre de quelques millisecondes, qui est la performance la plus défavorable avec cette technologie. Pour les applications opto-hyperfréquences et notamment l'alimentation optique d'antennes à balayage électronique, ce temps de commutation représente une limitation fondamentale.
HAUT DE PAGE2.2 Commutation induite par variation d'indice
Elle s'applique pour des structures à onde guidée, pour lesquelles le guide d'onde est constitué d'un empilement de couches de matériaux différents, la lumière se propageant dans le milieu d'indice le plus élevé. La commutation est obtenue par la modification d'indice du milieu. Nous passons en revue ci-dessous les différents phénomènes physiques qui sont mis en œuvre dans ces dispositifs pour obtenir cette variation d'indice, et donc la commutation.
HAUT DE PAGE
Un changement de température provoque une déformation locale du réseau cristallin, ce qui entraîne une modification de l'indice optique du matériau. Pour les matériaux III-V tels que l'InP, on constate une augmentation de l'indice sous échauffement, avec des variations de l'ordre de 1 × 10–5/oC. Les matériaux utilisés sont par exemple la silice sur silicium qui présente un effet thermo-optique important ou des polymères...
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Commutation optique
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DECOSTER (D.), HARARI (J.) - Optoelectronics sensors - . Edition ISTE Ltd. and John Wiley & son, Inc. (2009).
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(2) - GOUY (J.P.) - Étude comparative de la photodiode PIN, de la photodiode à avalanche et du photoconducteur sur matériaux III-V. - Thèse de l'université des Sciences et Technologies de Lille en Électronique (1989).
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(3) - ASHOUR (I.S.), El KADY (H.), SHERIF (K.), VILCOT (J.P.), DECOSTER (D.) - Cutoff frequency and responsivity limitation of AlInAs/GaInAs MSM PD using a two dimensional bipolar physical model - . IEEE Transactions on Electronics Devices, vol. 42, p. 2285-2291, nov. 1995.
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(4) - DECOSTER (D.), HARARI (J.), VILCOT (J.P.) - Metal semiconductor metal photodetector. - Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, vol. 12, p. 561-577.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Optoélectronique-hyperfréquence. Composants : laser, modulation et liaisons optiques.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Fibres optiques et amplification optique.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Traitement optique des signaux micro-ondes.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Contrôle optique de fonctions électroniques.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Marché des composants et fonctions (comparatif).
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