Systèmes de mesure électrooptiques pour l'analyse fréquentielle de signaux à trés large bande

La présente invention concerne de manière générale la mesure de signaux électriques à très large bande de fréquence. Plus particulièrement, l'invention concerne la mesure des caractéristiques fréquentielles de signaux électriques à très large bande de fréquence par un procédé de mesure électro-optique.

J.A. VALDMANIS et G. MOUROU ont développé récemment un procédé pour mesurer la forme d'onde d'un signal électrique à très large bande par échantillonnage électro-optique. Ce procédé de mesure permet d'atteindre des résolutions temporelles de l'ordre de la picoseconde. Dans l'article intitulé "Subpicosecond Electrooptic Sampling : Principles and Applications" et paru dans IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-22, N° 1, JANUARY 1986, J.A. VALDMANIS et G. MOUROU décrivent la configuration générale d'un système de mesure à échantillonnage électro-optique.

Ce procédé de mesure par échantillonnage électro-optique exploite l'existence de la biréfringence dans certains cristaux ayant une propriété électro-optique. Lorsqu'une onde lumineuse polarisée rectilignement rencontre une onde électrique produite par un signal électrique dans un cristal biréfringent, elle subit une rotation de polarisation due à l'interaction avec l'onde électrique. En se plaçant dans des conditions géométriques particulières, l'interaction entre les deux ondes induit dans l'onde lumineuse un retard de phase. L'onde lumineuse observée en polarisation croisée présente alors une intensité modulée par le signal électrique et il suffit de mesurer les variations d'intensité de l'onde lumineuse à l'aide d'un détecteur optique pour remonter au signal électrique. Pour obtenir une très bonne résolution temporelle on utilise une onde lumineuse formée d'un train d'impulsions de très faible largeur afin d'échantillonner le signal électrique. En retardant le train d'impulsions par rapport au signal électrique, il est possible d'explorer l'évolution temporelle du signal électrique. Le procédé s'apparente à de la stroboscopie pour des signaux répétitifs. La mesure de l'intensité de l'onde lumineuse s'effectue à très basse fréquence et donc avec un détecteur optique conventionnel à très faible bruit et très performant.

Un système de mesure à échantillonnage électro-optique est supérieur en résolution temporelle aux systèmes de mesure traditionnels de type purement électronique tels que l'oscilloscope à échantillonnage. Cette supériorité est due essentiellement au fait que la rotation de polarisation de l'onde lumineuse dans le cristal électro-optique est un phénomène instantané qui ne présente pas de constante de temps mesurable et consécutivement la résolution temporelle d'un tel système n'est essentiellement limitée que par la largeur des impulsions d'échantillonnage de l'onde lumineuse.

Un inconvénient de ces premiers systèmes de mesure à échantillonnage électro-optique réside toutefois dans le fait qu'il est nécessaire d'utiliser une source laser à émission impulsionnelle délivrant des impulsions lumineuses de très faible largeur, inférieure à la picoseconde. En effet, une source laser de ce type a généralement une longueur de plusieurs mètres et est donc très encombrante. De plus, elle est difficile à régler et est d'un prix relativement élevé. Un autre inconvénient important de ce système de mesure est qu'il n'est possible de mesurer que des signaux dont les fréquences de répétition sont des multiples entiers de la fréquence de répétition des impulsions lumineuses délivrées par la source laser. En conclusion, ces deux inconvénients conduisent à que ces premiers systèmes de mesure à échantillonnage électro-optique restent des systèmes expérimentaux difficiles à industrialiser et à commercialiser.

Dans des seconds systèmes de mesure à "échantillonnage" également décrits dans l'article précité de VALDMANIS et MOUROU, page 74, paragraphe V, la source laser impulsionnelle est remplacée par une source continue, telle qu'un laser hélium-néon, et le détecteur optique "lent" est remplacé par une caméra à balayage ultra-rapide. La caméra reçoit directement l'onde lumineuse modulée en amplitude émise par l'analyseur de sortie du modulateur électro-optique. Le système est "apparenté" à un oscilloscope standard, mais le rôle de l'amplificateur vertical et des plaques de déflexion est remplacé par le modulateur électro-optique ultra-rapide, et au lieu de la modulation de la position verticale d'un faisceau d'électrons, son intensité est modulée. En d'autres termes, un générateur sinusoïdal ayant une fréquence (85 MHz) nettement inférieure à la bande de fréquence du signal électrique à analyser découpe le signal à analyser et synchronise le balayage de la caméra, afin que le faisceau laser continu soit répétitivement modulé par le signal électrique à analyser en une onde lumineuse modulée périodiquement qui est détectée en synchronisme par la caméra.

Comme avec les premiers systèmes, les seconds systèmes de mesure explorent périodiquement l'évolution temporelle d'un signal électrique à analyser, et n'indiquent pas des caractéristiques du spectre fréquentiel du signal à analyser.

Le brevet US-A-4 695 790 décrit un analyseur de spectre comprenant une source laser continue, un modulateur électro-optique et plusieurs ensembles à filtre passe-bande optique et détecteur optique reliés à la sortie du modulateur électro-optique à travers un coupleur en étoile. Un signal électrique RF à analyser module l'onde optique produite par la source laser à travers le modulateur électro-optique. Des signaux électriques filtrés produits à des sorties des détecteurs optiques sont appliqués à un processeur qui traite en parallèle les signaux électriques filtrés pour produire le spectre du signal électrique à analyser.

L'invention vise à produire non pas le spectre d'un signal électrique mais une représentation générale des caractéristiques du spectre et notamment la largeur de bande et les fréquences limites haute et basse de ce spectre. Pour cela, l'invention ne met pas en oeuvre des moyens de traitement électronique complexes, tels qu'une batterie de filtres-détecteurs optiques selon le brevet américain précité, mais des dispositifs électriques et optiques connus combinés de manière judicieuse. Un système électro-optique selon l'invention présente l'avantage, comparativement à l'analyseur décrit dans le brevet américain, de pouvoir analyser des signaux électriques à fréquences très élevées car l'essentiel de l'analyse du signal est réalisé par des moyens optiques. De plus, le système selon l'invention offre des performances temporelles au moins équivalentes à celles des systèmes de mesure à échantillonnage électro-optique mais ne présentant pas leurs inconvénients mentionnés ci-dessus.

A cette fin, un système électro-optique selon l'invention pour l'analyse fréquentielle d'un signal électrique, est tel que défini par la revendication 1.

D'autres modes de réalisation du système selon l'invention sont énoncés dans les revendications 2 à 6.

L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées d'un système de mesure électro-optique selon l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels :

• la Fig. 1 est un bloc-diagramme général d'un système de mesure électro-optique selon l'invention réalisé sous la forme d'un analyseur de spectre,
• la Fig. 2 montre la courbe de réponse d'un modulateur électro-optique à effet de POCKELS inclus dans le système de mesure électro-optique représenté à la Fig. 1,
• la Fig. 3 montre le spectre de fréquence d'une onde lumineuse modulée en amplitude par le modulateur électro-optique en fonction d'un signal électrique à analyser,
• la Fig. 4 montre schématiquement une réalisation particulière du modulateur électro-optique pour l'analyse in situ et sans contact de signaux électriques produits dans un microcircuit ou un composant électronique réalisé sur un substrat cristallin ayant une propriété électro-optique, et
• la Fig. 5 montre schématiquement une autre réalisation particulière du modulateur électro-optique comprenant une sonde de mesure en cristal électro-optique pour l'analyse in situ et sans connexion de signaux électriques.

En référence à la Fig. 1, l'analyseur de spectre électro-optique selon l'invention comprend une source laser 1, un modulateur électro-optique 2, et un dispositif de spectroscopie 3.

La source laser 1 est de type monochromatique à émission continue et à très faible largeur de raie. La source laser 1 est par exemple constituée d'une source laser à gaz de type Hélium-Néon (He-Ne), stabilisée en fréquence et émettant une onde lumineuse L de longueur d'onde λ₀, de fréquence f₀ et de très faible largeur de raie .

Le modulateur électro-optique 2 est une cellule de POCKELS comprenant un polariseur 20, un compensateur 21, un cristal 22 ayant une propriété électro-optique, et un polariseur-analyseur 23.

Le polariseur 20 est par exemple constitué d'un prisme de GLAN ou de NICOLL. Il reçoit l'onde lumineuse L fournie par la source laser 1 à une première face 200 et délivre une onde lumineuse polarisée rectilignement L_p par une seconde face 201. L'onde lumineuse L_p est appliquée à travers le compensateur 21 à une première face 220 du cristal 22.

Le compensateur 21 est du type quart d'onde λ₀/4 et a pour fonction d'introduire un retard de phase $\text{Γ₀=π/2}$ dans l'onde lumineuse L_p afin de polariser le modulateur 2 dans une partie linéaire de sa courbe de réponse comme cela apparaîtra plus clairement par la suite dans la description.

Le cristal électro-optique 22 est par exemple constitué d'un cristal d'ADP ((NH₄)H₂PO₄) de forme parallélépipédique. Le cristal 22 comprend des axes cristallographiques perpendiculaires x et z auxquels correspondent respectivement des indices de réfraction extraordinaire n_e et ordinaire n_o. La première face 220 du cristal 22 est parallèle au plan défini par les axes cristallographiques x et z. Des seconde et troisième faces parallèles 221 et 222 du cristal 22 perpendiculaires à la première face 220 comprennent des rubans conducteur R entre lesquels est appliqué un signal électrique à analyser V.

Le signal électrique V produit dans le cristal 22 un champ électrique transversal E perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde lumineuse L_p et parallèle à l'axe cristallographique z du cristal 22. L'onde lumineuse L_p subit un retard de phase ΔΓ pendant la traversée du cristal 22. Le retard de phase ΔΓ est fonction du signal électrique V dont les variations d'amplitude introduisent dans le cristal 22 des modifications de sa propriété de biréfringence, c'est-à-dire des variations des indices de réfraction n_o et n_e dont la différence n_o-n_e est sensiblement proportionnelle au signal électrique V.

Le retard de phase ΔΓ introduit dans l'onde lumineuse L_p pendant sa traversée du cristal 22 est exprimé par l'égalité :

${\text{ΔΓ=π.(V/V}}_{\text{π}}\text{),}$

où V_π est un paramètre caractéristique du cristal 22 et de la longueur d'onde λ₀ de l'onde lumineuse L_p ; le paramètre V_π est de l'ordre du kilovolt.

Une onde lumineuse L_φ modulée en phase en fonction du signal électrique V est produite par le cristal 22. L'onde lumineuse L_φ est fournie par une quatrième face 223 du cristal 22, et est appliquée à une première face 230 du polariseur-analyseur 23.

Le polariseur-analyseur 23 est de type analogue au polariseur 20. Il est orienté de manière croisée par rapport au polariseur 20 et comprend donc une direction à π/2 de la direction du polariseur 20. Par une seconde face 231 parallèle à la première face 230, le polariseur 23 fournit une onde lumineuse L_A en polarisation rectiligne croisée par rapport à l'onde lumineuse L_p. L'onde lumineuse L_A présente une modulation en amplitude fonction du signal électrique V.

De préférence, afin d'obtenir une modulation d'amplitude maximale de l'onde lumineuse L_A, avec un indice de modulation égal à 1, et d'assurer ainsi une sensibilité de mesure maximale, l'onde lumineuse L_p a un plan de polarisation PL_p orienté, comme montré à la Fig. 1, à π/4 par rapport aux axes cristallographiques x et z du cristal 22, ce qui est obtenu au moyen d'une orientation convenable du polariseur 20 par rapport au cristal 22. Dans ces conditions, l'intensité IL_A de l'onde lumineuse L_A est exprimée par l'égalité suivante :

${\text{IL}}_{\text{A}}\text{=IL₀.sin²((Γ₀+ΔΓ)/2)=(IL₀/2)(1-cos(Γ₀+ΔΓ)),}$

où IL₀ est l'amplitude maximale de l'intensité IL_A.

Le retard de phase Γ₀ introduit par le compensateur 21 étant égal à π/2, l'intensité IL_A de l'onde lumineuse L_A en fonction du signal électrique V s'exprime par :

${\text{IL}}_{\text{A}}{\text{=(IL₀/2).(1+sin(π.V/V}}_{\text{π}}\text{)).}$

Cette dernière relation est illustrée par la courbe de réponse du modulateur électro-optique 2 montrée à la Fig. 2.

L'amplitude du signal électrique V est généralement très faible par rapport à la valeur du paramètre V_π de l'ordre du kilovolt, de sorte que le rapport V/V_π est très faible et le modulateur 2 fonctionne dans une zone de linéarité ZL. Dans la zone de linéarité ZL, l'intensité IL_A en fonction du signal V est exprimée par l'égalité :

${\text{IL}}_{\text{A}}{\text{≅(IL₀/2).(1+π.V/V}}_{\text{π}}\text{).}$

En référence à la Fig. 3, l'onde lumineuse L_A modulée linéairement en amplitude par le signal électrique V a un spectre de fréquence S(ν) comprenant une raie de fréquence RL à la fréquence ν₀ correspondant à l'onde lumineuse émise par la source laser 1 et deux bandes latérales BD(ν) et BG(ν) dues à la modulation d'amplitude de l'onde L_A et correspondant au spectre de fréquence B(f) du signal électrique V.

Les bandes latérales BG(ν) et BD(ν) comprennent des fréquences limites basses et hautes respectivement égales à ν₀-f_M et ν₀-f_m, et ν₀+f_m et ν₀+f_M, où f_m et f_M sont respectivement les fréquences limites basse et haute du spectre de fréquence B(f) du signal V. Les bandes latérales BG(ν) et BD(ν) sont liées au spectre de fréquence B(f) par les égalités :

$\text{BG(ν)=B(ν₀-f),}$ et

$\text{BD(ν)=B(ν₀+f).}$

L'onde lumineuse L_A porte donc toute l'information relative au signal électrique V à analyser et il est aisé connaissant le spectre de fréquence de l'onde lumineuse L_A d'en déduire le spectre de fréquence B(f) du signal V.

En référence à la Fig. 1, le dispositif de spectroscopie 3 a pour fonction d'analyser en fréquence le spectre de l'onde lumineuse L_A afin de déterminer le spectre B(f) du signal électrique V.

Le dispositif de spectroscopie 3 est par exemple constitué d'un interféromètre de FABRY-PEROT à balayage 30, d'un détecteur optique à photodiode 31, et d'un oscilloscope 32.

L'interféromètre de FABRY-PEROT à balayage est un dispositif bien connu de l'homme du métier et son fonctionnement ne sera pas ici décrit en détail. Il comprend essentiellement une cavité accordable 300 et un générateur de balayage 301. L'onde lumineuse L_A est injectée dans la cavité 300 à travers une première paroi semi-transparente 3000. Une seconde paroi semi-transparente 3001 de la cavité 300 est équipée d'un dispositif de commande piézoélectrique et est mobile en position par rapport à la première paroi 3000. Le déplacement de la paroi 3001 est commandé par un signal de rampe de balayage BA à basse fréquence. Sous la commande du signal de rampe BA, la cavité 300 est successivement accordée à différentes fréquences d'un domaine de fréquence à explorer et délivre des composantes lumineuses fréquentielles correspondantes CF à travers la seconde paroi 3001.

Une photodiode 310 du détecteur optique 31 reçoit les composantes lumineuses fréquentielles CF fournies par la cavité 300 et délivre en réponse un courant représentatif de l'intensité desdites composantes. A partir du courant délivré par la photodiode 310, le détecteur 31 produit un signal d'intensité IF représentant l'intensité des différentes composantes fréquentielles CF dans le domaine de fréquence exploré.

Le signal de rampe de balayage BA et le signal d'intensité IF sont appliqués respectivement à des entrées X et Y de l'oscilloscope 32 afin de visualiser le spectre de fréquence S(ν) sur l'écran cathodique de l'oscilloscope 32.

De préférence, la cavité 300 est choisie afin de présenter un intervalle fréquentiel libre compris entre la fréquence ν₀ et une fréquence maximale ν_M (Fig. 3) dans lequel est comprise la bande latérale BD(ν) du spectre de fréquence S(ν). Cet interface temporel libre est balayé sous la commande du signal de rampe BA et, la raie de fréquence ν₀ étant prise comme origine de fréquence f=0 Hz, une représentation uniquement du spectre de fréquence B(f) est ainsi obtenue sur l'écran de l'oscilloscope 32.

L'analyseur de spectre électro-optique selon l'invention peut être employé afin de caractériser des composants électroniques et des microcircuits hyperfréquences sur substrat semiconducteur. Ainsi par exemple dans le cas où le substrat du microcircuit est constitué d'un cristal ayant une propriété électro-optique tel que l'arséniure de gallium (AsGa), il est alors possible d'analyser des signaux électriques in situ, sans nécessité de contact ni de connexion par fils en se servant de la propriété électro-optique du substrat pour moduler l'onde lumineuse.

En référence à la Fig. 4, un modulateur électro-optique 2a pour une analyse in situ d'un signal électrique V dans un microcircuit réalisé sur un substrat cristallin électro-optique SB comprend un polariseur 20, un compensateur 21, deux miroirs analogues 22a et 22b, une lentille convergente 22c, et un polariseur-analyseur 23.

Les polariseur 20, compensateur 21 et polariseur-analyseur 23 sont analogues à ceux compris dans le modulateur 2 montré à la Fig. 1 et ont les mêmes fonctions. Dans le modulateur 2a, le cristal électro-optique 22 (Fig. 1) est supprimé et la modulation en phase de l'onde lumineuse polarisée L_p est réalisée directement dans le substrat cristallin électro-optique SB.

L'onde lumineuse L_p polarisée rectilignement et sortant du compensateur 21 est orientée par le miroir 22a vers un point P au voisinage d'un ruban conducteur R localisé sur une face supérieure FS du substrat SB. Le ruban conducteur R convoie le signal électrique à analyser V. L'onde lumineuse L_p est appliquée au point P du substrat SB à travers la lentille convergente 22c.

La lentille convergente 22c a pour fonction de diminuer la résolution spatiale de la mesure en focalisant l'onde lumineuse L_p sur le point P qui diminue en surface et peut ainsi être rapproché du ruban conducteur R.

L'onde lumineuse L_p est dirigée vers le point P avec un angle d'incidence sensiblement inférieur à π/2 et se propage dans le substrat SB jusqu'à une face inférieure métallisée FI portée à une tension de référence. Au niveau de la face inférieure FI, l'onde lumineuse L_p est rétroréfléchie vers la face supérieure FS. L'onde lumineuse sortant du substrat SB par la face supérieure FS est modulée en phase et forme l'onde lumineuse L_φ. Dans le substrat SB, le signal électrique V produit un champ électrique E sensiblement longitudinal aux directions de propagation des ondes lumineuses incidente et réfléchie. Par effet électro-optique, les ondes lumineuses se propageant dans le substrat SB subissent un retard de phase fonction du signal électrique V.

L'onde lumineuse L_φ sortant du substrat SB traverse la lentille convergente 22c et est dirigée par le miroir 22b vers la première face 230 du polariseur-analyseur 23. Par la seconde face 231, le polariseur-analyseur 23 délivre l'onde lumineuse L_A polarisée rectilignement et modulée en amplitude par le signal électrique V.

Dans le cas où le substrat SB supportant le microcircuit à caractériser n'a pas de propriété électro-optique, un modulateur électro-optique 2b, montré à la Fig. 5, comprenant une sonde de mesure 22d en cristal électro-optique peut être utilisé. La sonde 22d est alors placée à proximité du ruban conducteur R convoyant le signal électrique V afin que la sonde 22d soit traversée par des lignes du champ électrique E produit par le signal V. Il est ainsi possible d'analyser le signal électrique V sans aucune connexion entre le ruban conducteur R et le modulateur électro-optique 2b.

L'invention peut donner lieu à de multiples réalisations autres que celles décrites en référence aux Figs. 1 à 5.

Ainsi, concernant le dispositif de spectroscopie 3 inclus dans l'analyseur et décrit en référence à la Fig. 1, d'autres types d'interféromètres à balayage sont utilisables. Une représentation sur oscilloscope du spectre du signal à analyser n'est pas toujours désirée. Dans ce cas le dispositif de spectroscopie est par exemple constitué d'un spectrographe à élément dispersif délivrant un enregistrement du spectre sur un support papier.

De plus, lorsqu'une connaissance précise du spectre n'est pas nécessaire et qu'il est désiré connaître par exemple la fréquence fondamentale du signal, l'invention peut prendre la forme d'un fréquencemètre et comprendre par exemple un interféromètre de MICHELSON réglé manuellement jusqu'à délivrance par le détecteur optique à photodiode 31 d'une réponse maximale indiquant que l'interféromètre est accordé à la fréquence fondamentale. Une lecture sur un curseur gradué de l'interféromètre indique alors la valeur recherchée de la fréquence fondamentale du signal.

Les performances d'un analyseur de spectre électro-optique selon l'invention sont essentiellement limitées par les performances de l'interféromètre inclus dans le dispositif de spectroscopie et par la stabilité et la largeur de raie de l'onde lumineuse produite par la source laser. Une réalisation particulière d'un analyseur de spectre selon l'invention constitué à partir d'un interféromètre de FABRY-PEROT et d'une source laser disponibles dans le commerce atteint les performances suivantes dans le cas d'une mesure in situ sans contact :

• bande passante de quelques kilohertz à 8000 GHz,
• sensibilité inférieure à 1 mV,
• résolution spectrale sensiblement égale à 1 kHz, et
• résolution spatiale de quelques micromètres.