FR2629223A1 - Correlateur optique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un corrélateur optique à l'état solide, fonctionnant à des temps inférieurs à la picoseconde. Il comprend un circuit 10 de photocapteur comportant un élément photoconducteur 14 et deux électrodes opposées 12. Une différence de tension est engendrée entre les électrodes 12 pour définir une direction de champ électrique, et l'élément photoconducteur génère des porteurs de charges en réponse à une énergie optique incidente. Des premier et second signaux optiques sont dirigés sur l'élément photoconducteur pour y former une figure d'interférence lorsqu'ils se chevauchent dans le temps et dans l'espace. Domaine d'application : corrélateurs, analyseurs, commutateurs, démultiplexeurs et autres instruments optiques utilisant une modulation de porteurs de charges par interférence optique.

Description

L'invention concerne des corrélateurs optiques

basés sur la modulation de porteurs de charge par inter-

férence optique.

Historiquement, les recherches sur l'inter-

action de la lumière avec des phénomènes dans des matières, modulés périodiquement, remontent à l'étude d'expériences de diffraction de la lumière par ultrasons. Voir P. Debye, F. W. Sears, Proc. Nat. Acad. Sci. vol. 18, page 409, 1932; R. Lucas, P. Biquard, J. Phys. Rad., vol. 3, page

464, 1932.

Initialement, l'expérience visait à étudier des caractéristiques d'ultrasons telles que la vitesse de propagation, la dispersion, les affaiblissements, la réflexion, etc. La similitude imprévue des longueurs d'ondes acoustiques correspondant aux hautes fréquences dans des matières denses et des longueurs d'ondes de la lumière a fait aboutir avec succès ces études. Inversement, la compréhension de ces interactions a donné de nombreuses applications a présents utilisées dans l'ingénierie des lasers. Avec l'apparition de sources laser puissantes, la lumière, seule, pouvait produire dans des matières des

phénomènes périodiques pouvant imiter les ondes station-

naires d'ultrasons et donc présenter des propriétés analogues à celles que l'on peut observer dans des interactions acousto-optiques. Avec des différences sensibles dans le caractère dynamique des mécanismes en interaction, en particulier dans les échelles des temps des picosecondes et des femtosecondes, le sujet de la modulation de propriétés des matières par interférence a fait l'objet d'une attention considérable et a donné un

nombre important de résultats.

De nombreuses études rendent compte à la fois de la formation d'une modulation spatiale induite par la lumière dans des matières et de l'application de ces effets à l'étude des propriétés des matières. Dans ces cas, l'effet d'une interférence optique produit des variations périodiques dans les paramètres optiques qui peuvent être attribuées à une modulation de l'indice de réfraction, que

l'on peut souvent décrire par le coefficient de sus-

ceptibilité non linéaire de troisième ordre. Voir N. Bloembergen et collaborateurs, IEEE J. QE, vol. 3, page 197, 1967. W. Kaiser, M. Maier, "Stimulated Rayleigh, Brillouin and Raman spectroscopy", Laser Handbook, vol. 2,

ed.de F. T. Arechi, E. O. Schulz-Dubois, Amsterdam: North-

Holland, 1972. I.P. Batra, R. H. Enns, D. W. Pohl, Phys. Status Solidi (b) , vol. 48, page 11, 1971. N. Bloembergen, Nonlinear Optics. New York: Benjamin, 1977; S. A. Akhmanov, N. I. Koroteev, "Nonlinear optical techniques in spectroscopy of light scattering", Series Problems in Modern Phvsics. Moscou: Nauka, 1981 (en russe); Y. R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics. New York: Wiley, 1984. B. Jensen, "Quantum theory of the complex dielectric constant of free carriers in polar semi-conductors", IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-18, pages 1361- 1370,

Septembre 1982.

Toutes les références citées ci-dessus étudient ou appliquent les effets de la diffraction induite par interférence de faisceaux de détecteurs. Malgré cet effort,

il existe un besoin continuellement croissant en dis-

positifs opto-électroniques capables de traiter des signaux optiques ultracourts et convenant à des applications à des

circuits intégres.

D. Ritter et collaborateurs ont publié un article qui décrit l'utilisation de deux faisceaux optiques en interférence pour mesurer la longueur de diffusion

bipolaire d'un photoconducteur. Voir D. Ritter et colla-

borateurs, Appl. Phys. Lett, Vol. 49, N 13, pages 791-793, 29 Septembre 1986. Dans cet article, les deux faisceaux en interférence ont des intensités différentes, l'un étant beaucoup moins intense que l'autre, et les deux faisceaux sont dirigés sur le photoconducteur pour former un diagramme d'interférence. En raison des intensités choisies des faisceaux, la modulation spatiale des porteurs de charges dans le photoconducteur résultant de l'interférence optique entre les deux faisceaux est faible. Le courant photo-électrique varie en fonction de la présence ou de l'absence d'une interférence optique entre les deux faisceaux si la longueur de diffusion ambipolaire des porteurs de charges est suffisamment faible par raport à l'espacement nodal de la figure d'interférence. En faisant varier l'espacement nodal, on peut analyser le courant photo-électrique pour déterminer la longueur de diffusion ambipolaire. L'article de Ritter et collaborateurs décrit l'utilisation de cette technique pour mesurer la longueur

de diffusion ambipolaire de silicium amorphe hydrogéné.

Le problème auquel s'adressent Ritter et collaborateurs est la mesure d'un paramètre matériel d'un semi-conducteur. A cet effet, Ritter et collaborateurs exigent que les deux faisceaux optiques en interférence soient largement différents en intensité. En outre, la matière spécifique utilisée par Ritter et collaborateurs (silicium amorphe hydrogéné) présente habituellement une

mobilité d'électrons inférieure à 10 cm2/volt.s.

La présente invention a. trait au problème, fondamentalement différent, de créer un correlateur utile à la mesure d'un paramètre choisi de l'un des deux faisceaux en interférence (tels que la distribution d'amplitude, la distribution de fréquence ou le diagramme de la modulation d'amplitude, par exemple). C'est la raison pour laquelle il existe de nombreuses différences entre la structure et le fonctionnement des corrélateurs de l'invention et les expériences décrites par Ritter et collaborateurs. Ces

différences apparaîtront par la suite.

Conformément à l'invention, il est proposé un corrélateur basé sur une modulation de porteurs induite par interférence. Ce corrélateur comprend un système capteur ayant un élément capteur (tel qu'un photoconducteur) qui fournit des porteurs de charges lorsqu'il est excité par un faisceau d'énergie (tel qu'un faisceau lumineux), et des moyens destinés à générer un signal de capteur en réponse aux porteurs de charges. Des moyens sont prévus pour diriger des premier et second signaux de faisceau (tels que, des faisceaux optiques) sur l'élément capteur afin de former sur celui-ci un diagramme d'interférence lorsque les signaux de faisceaux se chevauchent dans le temps et dans l'espace sur l'élément capteur. Le diagramme d'interférence produit une modulation spatiale dans la distribution des porteurs de charges, et des moyens sont prévus pour contrôler le signal du capteur afin de détecter un

paramètre du signal du capteur (tel qu'un courant photo-

électrique intégré), qui varie en fonction de la présence

du diagramme d'interférence.

Une particularité importante de certaines

formes de réalisation de l'invention est que les compo-

santes en interférence des signaux de faisceaux (les composantes qui se chevauchent en temps, en fréquence de faisceau et dans l'espace sur l'élément capteur) peuvent avoir des intensités qui sont égales entre elles dans un facteur de trois. Au moins l'un des signaux de faisceaux est habituellement modulé ou analysé en temps, fréquence ou espace afin que les composantes en interférence interfèrent seulement pendant des parties choisies de l'ensemble du processus de corrélation. Etant donné que les composantes en interférence sont sensiblement accordées en intensité,

la modulation des signaux du capteur résultant de l'inter-

férence ou du manque d'interférence entre les composantes en interférence est maximisée, ce qui élève le rapport

utile du signal au bruit. Ceci rend possible une corréla-

tion plus précise et plus fiable des signaux des faisceaux.

Une autre particularité importante de certaines formes de réalisation est que les deux signaux de faisceaux peuvent avoir des distributions de fréquence de faisceaux différentes. Ceci permet une détection de paramètres caractéristiques de ces composantes des deux signaux de faisceaux qui se recouvrent en fréquence de faisceaux ou bien, en variante, des composantes qui ne se recouvrent pas en fréquence de faisceaux. De telles formes de réalisation s'appliquent, par exemple, à des démultiplexeurs optiques,

comme expliqué ci-dessous.

Certaines formes de réalisation comprennent des moyens destinés à retarder l'un des signaux de faisceaux par rapport à l'autre pour permettre aux phases des signaux

de faisceaux d'être ajustées l'une par rapport à l'autre.

Ceci permet à un signal de faisceau d'être balayé en temps en travers de l'autre signal de faisceau, comme expliqué ci-dessous.

Dans les formes de réalisation décrites ci-

dessous, la modulation spatiale résultante de la distribu-

tion des porteurs réduit le signal du capteur de manière qu'une valeur intégrée du signal du capteur soit plus petite, lorsque les premier et second signaux se recouvrent dans le temps pour former le diagramme d'interférence, que lorsque les premier et second signaux ne se recouvrent pas

dans le temps, ou que lorsqu'un seul signal est présent.

La formation de la modulation des porteurs donne une apparence de photoconductivité non linéaire, et dans la

limite de photoconductivité différentielle négative.

Le diagramme d'interférence, lorsqu'il est présent, augmente la résistance rencontrée par les porteurs

et réduit le courant photo-électrique associé aux porteurs.

Cet effet peut être utilisé dans de nombreuses applica-

tions, comprenant des dispositifs d'autocorrélation et de corrélation optique de semi-conducteur, des dispositifs d'échantillonnage de lumière par la lumière et des

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commutateurs électroniques de lumière par la lumière. Etant donné que ces dispositifs sont destinés à délivrer un courant photo-électrique, une haute mobilité des porteurs est souhaitable. La mobilité des porteurs à haute mobilité est avantageusement supérieure à 10 cm2/volt.s. Cependant,

étant donné que ces dispositifs sont prévus pour fonc-

tionner par maximisation de l'extinction de courant à l'aide d'une interférence optique, un contraste maximal entre l'état dit en et l'état dit hors est atteint lorsque la mobilité d'un seul porteur est élevée et lorsque le transport ambipolaire est faible ou négligeable. Une faible mobilité d'un porteur et, à la limite, une immobilité totale de ce porteur est souhaitable pour maximiser le rendement. L'invention a des applications à la fois dans la corrélation dans le domaine du temps et dans la corrélation dans le domaine des fréquences, comme décrit cidessous. Sauf indication contraire donnée par le contexte, les termes "corrélation" et "corrélateur"

entendent englober les deux types de corrélation.

Les formes de réalisation décrites ci-dessous présentent des avantages importants. Ce sont des systèmes à l'état solide qui reposent sur un seul semi-conducteur à la fois pour la détection optique et pour la corrélation. Ces systèmes sont extrêmement peu coûteux sous une forme simple et peuvent être aisément fabriqués en tant que dispositifs compacts à circuits intégrés. Aucun cristal optique non linéaire n'est demandé. Etant donné qu'il s'agit de dispositifs d'intégration de courant qui tirent avantage de l'instantanéité de la superposition d'un domaine optique, la durée de vie finie de la recombinaison ne limite pas la résolution temporelle de la corrélation ou du processus d'échantillonnage, ce qui rend ces dispositifs aptes à des applications à des impulsions optiques de l'ordre de la picoseconde et de la femtoseconde. Pour des applications de commutation de courant lumière par lumière, une réponse

très rapide peut être améliorée par une sélection appro-

priée des durées de vie des porteurs. Pour des applications à des vitesses élevées, les dispositifs peuvent être conçus aisément dans des configurations de lignes de transmission convenables, telles que des microrubans, des lignes en bande ou ruban, des lignes coplanaires et des guides

d'ondes coplanaires.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1A est un diagramme schématique d'un

corrélateur optique comprenant-une première forme avanta-

geuse de réalisation de l'invention; la figure lB est un diagramme schématique de la forme de réalisation de la figure 1A montrant la production d'une modulation de porteurs avec la formation de noeuds et de zéros produits par interférence optique; la figure lC est un diagramme schématique de

l'amplitude de la densité des porteurs dans la distribu-

tion montrée sur la figure lB; la figure 1D est un diagramme vectoriel montrant la relation entre les vecteurs de propagation de la figure lB; la figure 2 est un diagramme schématique montrant l'orientation angulaire entre le champ électrique e résultant d'une tension appliquée à travers l'intervalle d'écartement L et le vecteur interférence kA qui est supposé rester parallèle à la coordonnée Y dans la forme de réalisation de la figure lA; la figure 3 est un graphique de signaux d'autocorrélation obtenu avec des faisceaux équilibrés en interférence dans une géométrie telle qu'illustrée sur les

figures 1A et 2; -

la figure 4 est un graphique illustrant la réponse d'une modulation de porteurs à une interférence optique de longue durée et de courte durée; la figure 5 est un diagramme schématique d'un autocorrélateur selon l'invention; la figure 6 est un schéma fonctionnel de l'analyseur de courant photo-électrique de la figure 5; les figures 7A et 7B sont des formes d'ondes illustrant le fonctionnement de l'autocorrélateur de la figure 5; la figure 8 est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'échantillonnage optique selon l'invention; la figure 9 est un schéma fonctionnel de l'analyseur de courant photo-électrique de la figure 8; les figures 10A à 10E sont des diagrammes de formes d'ondes illustrant le fonctionnement du dispositif d'échantillonnage de la figure 8; la figure 11 est un schéma simplifié d'un dispositif de commutation optique selon l'invention; la figure 12 est un schéma simplifié de l'analyseur de courant photo-électrique de la figure 11; la figure 13 est un tableau illustrant le fonctionnement du dispositif de commutation de la figure 11; la figure 14 est un schéma fonctionnel d'un' analyseur de spectre optique selon l'invention; les figures 15A, 15B, 16A-16C et 17A-17C

représentent des formes d'ondes et des graphiques concer-

nant divers signaux de la forme de réalisation de la figure 14; la figure 18 est un schéma fonctionnel d'un démultiplexeur optique selon l'invention; et les figures 19A a 19F montrent des formes d'ondes illustrant le fonctionnement de la forme de

réalisation de la figure 18.

On décrira ci-après, en premier, les principaux généraux de fonctionnement en regard des figures lA à 4,

puis on décrira ensuite cinq formes préférées de réalisa-

tion de l'invention en regard des figures 5 à 19F.

A titre illustratif, l'effet de modulation de porteurs induit par interférence selon l'invention sera explicité a l'aide de l'exemple d'une autocorrélation d'un signal optique de l'ordre du picoseconde. Cet exemple utilise un photoconducteur polarisé 10 qui comprend deux

électrodes 12 et un élément photoconducteur 14 (figure 1A).

Le photoconducteur 10 est monté en série avec une résis-

tance de charge 16, et une alimentation 18 en courant continu fournit une tension de polarisation VB. Le photoconducteur 10 réagit à une énergie optique incidente sur l'élément photoconducteur 14 en formant des porteurs de charges qui font passer un courant photo-électrique entre

les électrodes 12. L'amplitude de ce courant photo-

électrique est mesurée par mesure de la chute de tension

aux bornes de la résistance 16.

Dans cet exemple, un signal optique F(t) de durée At est incident sur le photoconducteur polarisé 10 comme montré schématiquement sur la figure lA; F(t) produit un courant photo-électrique transitoire JF(t) de

durée LT> t, par unité de largeur de l'électrode 12.

Similairement, une partie retardée du -même signal, désignée f(t-r), produit un courant photo-électrique Jf(t-r), également de durée a T, lorsqu'elle est incidente sur le même photoconducteur 10 en l'absence de JF(t). Autrement dit, lorsque le retard r entre les deux signaux est grand, tel que r> LT, le circuit de polarisation collecte une charge (par unité de largeur d'électrode) Co Q = [JF(t) + Jf(t-T)] dt QF+ Qf (1) --Co

égale à celle d'un photoconducteur ordinaire. La restric-

tion imposée à la séparation des signaux peut encore être réduite de r>AT à r>4t en supposant que la génération des porteurs est linéaire et que le transport est linéaire. Par conséquent, des effets tels que le décalage de bande induit par les porteurs, la dispersion porteur-porteur ou même des vitesses de recombinaison dépendantes de la densité, qui pourraient exister à des niveaux élevés d'éclairement, sont négligés dans ces commentaires, car le but principal de cet exemple est le traitement de signaux de niveau bas. Lorsque les signaux optiques se recouvrent ou se superposent dans l'espace sur le photoconducteur 10 et commencent à se recouvrir ou se superposer dans le temps de manière que Ts t, une interférence définit la distribution d'énergie spatiale et définit le diagramme d'excitation des porteurs sur le photoconducteur 10. C'est ensuite la dynamique des porteurs distribués de façon non homogène qui détermine le

processus de conduction.

En choisissant les directions des vecteurs propagation kF et kf des signaux respectifs F(t) et f(t) pour former le plan yz (qui est supposé inclure le plan d'incidence) comme montré sur les figures 1A et 1D, le

vecteur réseau d'interférence sur la surface du photo-

conducteur est kA =kF kf 2kyay (2) Etant donné que ky = IkFI sin e = Ikfl sin e, la période spatiale de l'interférence est

21 A (3)

A = =

kA 2 sin e o kA est l'amplitude de kA; \est la longueur d'onde de la lumière; et 2e est l'angle entre kF et kf comme sur la figure 1D. Par conséquent, dans le cas d'une interférence

classique de deux ondes planes dont les vecteurs polarisa-

tion sont tous deux perpendiculaires au plan d'incidence et parallèles à la surface sur laquelle ils sont incidents, l'énergie est déposée en noeuds de forme linéaire séparés de A (figure 1C). De même que dans des expériences de diffraction dans des semiconducteurs, des noeuds 20 de concentration de porteurs de forme linéaire, séparés de A, sont établis sur la surface du semiconducteur comme illustré sur la figure lB; à l'intérieur des noeuds 20, la densité chute exponentiellement le long de la coordonnée z et les porteurs sont en fait distribués le long de la

coordonnée z dans des plans qui contiennent les-noeuds 20.

Dans le cas général, qui est illustré sur la figure 2, le vecteur réseau kA forme un angle 0 avec le champ électrique

appliqué e.

En supposant d'abord que les porteurs peuvent contenir la distribution nodale pendant leur durée de vie de recombinaison et que, comme précédemment, le transport, la génération et la recombinaison ne dépendent pas de la densité, on peut établir un modèle simple de conduction sur la base de la conservation globale de l'énergie optique. Le cas spécial de X = 90 est particulièrement utile pour les explications. Pour X = 90e, on a N = A-1 noeuds 20 par unité de largeur d'électrode. Si chaque noeud 20 est d'une résistance par unité de longueur p (t)ncm-1, la résistance

de chaque noeud 20 est y (t)L et le courant par unité de-

largeur d'électrode est NVa' V (4) J(t) = _ p(t)L Ap(t)L o V est la tension appliquée pour créer e et L est la distance entre les électrodes 12. Etant donné que le nombre de porteurs engendrés dans le détecteur, en moyenne sur une étendue de plusieurs noeuds 20 est le même, qu'une interférence ait lieu ou non, et étant donné que tous les porteurs participent au transport sous l'influence de la même tension, l'intégrale de l'équation (4) I J(t) dt = Q (5) --C devrait alors être égale a l'intégrale de l'équation (1), de manière que Q =QF + Qf, que l'interférence soit complète ou partielle. Cependant, si l'on permet à X de varier, les électrodes 12 sont connectées par des noeuds conducteurs 20 de longueur L/sin y, encore de la même résistance D (t)ncm-1, car le nombre de photons incidents, en moyenne sur plusieurs noeuds 20, reste le même. Le courant par unité de largeur d'électrode est à.présent v (6) J _ _ Isin |,j Ap(t)L lequel disparait idéalement pour X = O lorsque les signaux

en corrélation sont d'une force égale et lorsque l'inter-

férence est complète. Dans cette configuration, l'impor-

tance de la charge que le circuit collecte est non seulement une mesure du flux photonique incident sur le photodétecteur, mais également une mesure de r/L\t. En utilisant les valeurs limites, déterminées précédemment de l'intégrale de l'équation (5): Qpour > 1 At

Q (7)

7. Opour_ = 0 At Des expériences portant sur des signaux optiques de l'ordre d'une picoseconde ont confirmé que l'effet de la modulation des porteurs, induite par

interférence, se manifeste lui-même fortement et conformé-

ment aux grandes lignes de cette description générale.

Cependant, en pratique, le courant peut ne pas disparaitre entièrement pour un certain nombre de raisons telles qu'un manque de cohérence optique totale, une amplification du courant d'obscurité, une perte de l'intégrité nodale, etc. Alors, au lieu de l'équation (5) qui disparait pour r = O, 0=, le courant s'intègre pour donner une certaine charge de fuite minimale Qmin qui définit un rapport d'extinction d'interférence EX tel que suit: Q - Qmin (8) EX Q Etant donné que l'optimisation des dispositifs décrits ci-dessus est réalisée lorsque les courants individuels JF et Jf sont élevés et lorsque les courants produits pendant une interférence maximale sont faibles ou nuls, il est en général important que la constante de temps TD pour la diffusion soit longue en comparaison avec le temps de recombinaison. Etant donné que

1, (9)

- D =

Da kA o Da est la diffusion ambipolaire, sa valeur possède un intervalle important. Pour des valeurs communes de Da, cette constante de temps de diffusion peut varier d'une fraction d'une picoseconde à quelques centaines de picosecondes et on peut lui donner une valeur relativement et arbitrairement grande en ajustant kA. Avec des matières spécialement conçues, dans lesquelles le coefficient de diffusion géminée. est faible ou nul, mais au moins une diffusion d'un type de porteurs individuels (et donc la mobilité) est élevée, la condition pour rD>>"r, qui est souhaitable pour maximiser le coefficient d'extinction EX, peut être satisfaite sans l'inconvénient d'avoir a réaliser de grands dispositifs et sans sacrifice notable du courant. Les paramètres d'un semi-conducteur optimal pour améliorer le fonctionnement du dispositif modulé par porteurs ne sont pas uniques, car une optimisation implique une maximisation non seulement du rapport d'extinction EX, mais du rendement quantique à générer et collecter une charge maximale Q dans le mode en non-interférence. Le degré auquel le profil des porteurs modulés se déforme et, par conséquent, la quantité de courant qui circule à travers le dispositif dépendent directement des valeurs paramétriques de la matière. Dans des matières à haute mobilité et longue durée de vie, les profils de porteurs modulés prennent par relaxation un profil homogène avant de disparaître. Cette relaxation est rapide lorsque les deux porteurs ont une mobilité élevée. Dans le cas de matières à mobilité élevée et longue durée de vie des porteurs, des

courants par conduction tendent à croître après l'ajuste-

ment initial à la formation des porteurs modulés. Ceci conduit à la formation de voies conductrices importantes à

travers le dispositif, qui sont provoquées par la pénétra-

tion de porteurs dans les noeuds de la distribution. Comme précédemment, cette fuite de courant contribue à Qmin et, par conséquent, réduit EX. Dans des matières à faible

mobilité et courte durée de vie, les porteurs se recom-

binent avant qu'une distribution spatiale importante ait

lieu.

La mise en oeuvre pratique de dispositifs de modulation de porteurs induite par interférence a été montrée expérimentalement. L'autocorrélation d'impulsions laser à colorant verrouillé synchroniquement en mode,

émises dans la bande de 600 nm à une fréquence de répéti-

tion de 80 x 106 impulsions par seconde et à une puissance moyenne de quelques milliwatts, a été effectuée avec des dispositifs fabriqués à partir d'un certain nombre de matières, à la fois amorphes et cristallines, dans des configurations homogènes aussi bien que dans des configura- tions en puits quantiques. Ces expériences ont montré, par exemple, comme illustré sur la figure 3, qu'une forte

extinction peut être obtenue dans du silicium à implanta-

tion d'azote sur un saphir, traité avec une dose d'environ 2,2 x 1014 cm2, à 140 keV. On illustre le caractère anisotrope du mécanisme de commande, aussi, en montrant la

dépendance du signal d'autocorrélation décrit par l'équa-

tion (6). La variation des valeurs de X et de eF.ef est utilisée pour distinguer le fonctionnement par modulation de porteurs d'autres effets non linéaires; les intensités optiques étaient toujours maintenues dans une gamme dans laquelle le mécanisme de modulation des porteurs était

entièrement dominant.

Les conditions expérimentales sont restées exactement les mêmes pour l'illustration montrée sur la figure 4 dans laquelle la réponse de la modulation des porteurs à des durées relativement longues (2,63 ps, FWHM) et courtes (88 fs, FWHM) d'interférence optique est démontrée. Les signaux d'autocorrelation présentent une bonne stabilité et un excellent rapport signal/bruit

lorsque les paramètres sont dans l'une des plages favora-

bles pour un rendement quantique élevé (Q élevé) et un rapport d'extinction EX élevé (contraste d'autocorrélation élevé). En prenant le rapport de la mobilité des électrons à la mobilité des trous dans une matière donnée quelconque, en tant que coefficient possible de qualité, le silicium et le GaAs sont classés de façon comparable en tant que matières convenables pour des dispositifs de modulation de porteurs. Cependant, avec la mobilité supérieure des électrons dans le GaAs, ses possibilités de bonnes performances sont nettement élevées si la longueur de diffusion ambipolaire peut être rendue suffisamment courte comme décrit précédemment. De nombreuses autres possibilités pour parvenir à une immobilisation totale réelle de l'un des porteurs apparaissent d'elles-mêmes et ce pourrait être simplement des ions impureté ou des

porteurs immobilisés dans des puits quantiques.

L'espacement nodal caractéristique A dans ce mémoire désigne la distance donnée par l'équation (3) et représente la distance comprise entre soit les crêtes de modulation de densité des porteurs, soit la distance comprise entre les zéros de la modulation de densité des porteurs. Cette distance peut être réglée par l'angle 8 et doit être établie de façon à être au plus égale au double de l'écartement L des électrodes, ou moins. Lorsqu'un dispositif de corrélation est réalisé de façon à avoir

L = 10 micromètres, A peut s'élever jusqu'à 20 micro- mètres, mais il est habituellement de seulement 2 micro-

mètres. Dans le cas o un diagramme d'interférence donné présente des espacements nodaux variables, l'espacement nodal caractéristique est le plus petit espacement nodal significatif. La longueur de diffusion ambipolaire, dans ce mémoire, désigne la distance statistique qu'une paire électron-trou parcourera en moyenne avant d'être détruite par recombinaison ou piégeage. Le mouvement de la paire électron-trou est le mouvement diffus qui se développe par suite de la modulation de porteurs induite par interférence et, par conséquent, par suite des gradients de densité de porteurs induits par interférence. Pour des dispositifs de corrélation, cette longueur devrait être aussi courte que

possible et ne devrait pas dépasser notablement l'espace-

ment nodal caractéristique défini précédemment. Par exemple, pour un espacement nodal égal à 2 micromètres, la longueur de diffusion ambipolaire pourrait être également de 2 micromètres, mais le dispositif serait plus efficace si la longueur de diffusion ambipolaire n'était que d'un

micromètre ou moins.

Dans le montage d'électrodes sur les dispo- sitifs, il est en général important d'obtenir non seulement des contacts ohmiques, mais également des contacts ohmiques à faible résistance pour optimiser un fonctionnement à

grande vitesse. Ainsi qu'on peut le prévoir, ces résis-

tances amortissent notablement et élargissent les tran-

sitoires de courant qui résultent de la modulation de champ, même pour de faibles valeurs de résistance. Pour une

résistance combinée de contact et de conducteur d'un demi-

ohm, le transitoire de courant a grande vitesse, dans des applications de l'ordre de la picoseconde, est amorti d'une valeur pouvant atteindre 50 %. Les effets de ces résistances s'étendent au-delà du transitoire de courant initial et, par conséquent, affectent directement la quantité de charge délivrée par les dispositifs et, comme

précédemment, affectent directement le rapport EX.

De cette description, il apparaît clairement

que la réponse photoconductrice transitoire dans des semi-

conducteurs peut être sensiblement altérée par l'induction

de noeuds de porteurs à l'aide d'une interférence optique.

Le courant photo-électrique produit par un signal optique peut être augmenté ou diminué par l'addition d'un autre

signal optique. Alors que l'accroissement du courant photo-

électrique est un effet linéaire à un faible -éclairement, la diminution du courant photo-électrique peut être

utilisée à la place d'une photoconductivité non linéaire.

Cette propriété se manifeste d'elle-même avec une effi-

cacité qui est plus grande, de plusieurs ordres de grandeurs, dans des semi-conducteurs convenablement adaptés que tout défaut de linéarité de transport connu de la Demanderesse., tel que, par exemple, porteurdispersion de porteur. La caractéristique inhibante de la modulation de porteurs induite par interférence permet à des signaux optiques d'être marqués dans le temps pour des applications de corrélation et d'échantillonnage lumière par lumière telles que celles montrées dans le cas des impulsions laser de l'ordre de la picoseconde. Ce trait peut également être utilisé dans des corrélateurs travaillant dans le domaine

des fréquences.

D'autres détails concernant l'invention peuvent être trouvés dans l'article publié dans le numéro de Février 1988 de IEEE Journal of Ouantum Electronics, Vol. 24, N 2 (H. Merkelo, et collaborateurs), "Semiconductor Optoelectronic Devices Based on Interference Induced Carrier Modulati.on". Les parties correspondantes de ce

mémoire (figures la à ld, 2 à 4, la description correspon-

dante et la partie du préambule décrivant l'état de la

technique) sont soumises au copyright IEEE, 1988.

On décrira à présent cinq exemples concrets de

formes préférées de réalisation de l'invention.

On décrira tout d'abord un autocorrélateur.

Les figures 5 à 7B ont trait à un auto-

corrélateur 20 conforme à l'invention. L'autocorrélateur 20 comprend une source optique 22 qui dirige une série d'impulsions optiques sur un diviseur 24 de faisceau. La source 22 peut comprendre, par exemple, un laser tel qu'un laser à colorant à verrouillage de mode, décrit ci-dessus, ou un laser à semi-conducteur. Chacune des impulsions optiques est divisée par le diviseur 24 en une première partie qui est dirigée par l'intermédiaire d'un miroir 26 sur le corrélateur, et en une seconde partie qui est dirigée vers un dispositif 30 de retard à longueur de trajet variable. Le miroir 26 dirige les impulsions

réfléchies PS sur l'élément photoconducteur 14 du photo-

conducteur 10 décrit ci-dessus et montré sur la figure lA.

Des impulsions introduites dans le dispositif à retard 30 sont retardées d'un temps réglable en continu avant d'être également dirigées en tant qu'impulsions PR

sur l'élément photoconducteur 14. Par exemple, le dis-

positif à retard peut comprendre des miroirs mobiles (non représentés) qui modifient la longueur du trajet des impulsions en fonction de la position du miroir et ajustent

ainsi le temps d'arrivée des impulsions PR.

La chute de tension aux-bornes de la résistance 16 est appliquée en tant que signal d'entrée à un analyseur de courant photo-électrique (figure 6). L'analyseur 40 comprend un intégrateur 42 et un visuel 44. L'intégrateur 42 intègre le signal d'entrée de l'analyseur pour chaque cycle d'impulsions afin de mesurer Q. la charge électrique totale du courant photo-électrique pour chaque cycle

d'impulsions, pour l'affichage. La description générale

précédente fournit une analyse détaillée de la manière

dont les impulsions PS, PR interagissent avec le photo-

conducteur 10. PR et PS correspondent à F(t) et f(t-r)

comme défini ci-dessus dans la description générale.

La figure 7A montre le fonctionnement de

l'autocorrélateur 20 lorsque les impulsions PR ne chevau-

chent ou ne recouvrent pas, dans le temps, les impulsions PS. Dans ce cas, il n'y a aucune interférence optique et le courant photo-électrique J est formé de deux impulsions

classiques qui sont intégrées à une valeur de Q relative-

ment élevée. Cependant, lorsque le dispositif à retard 30 est ajusté de façon à rendre les impulsions PR et PS incidentes sur l'élément photoconducteur 14 sensiblement au même instant, une interférence optique entre les impulsions PR, PS engendre des noeuds dans la distribution des porteurs comme montré sur la figure lB, et ces noeuds arrêtent le flux de pratiquement la totalité du courant photo-électrique lorsque les impulsions PR et PS sont identiques en amplitude. Le courant photoélectrique

26292 23

intégré Q, dans ce cas, est très inférieur à celui de la figure 7A. Dans une autre forme de réalisation (non représentée), les signaux J de courant photo-électrique des figures 7A et 7B peuvent être affichés sur un moniteur de signaux à grande vitesse plutôt qu'intégrés. Les impulsions PR, PS sont de préférence égales en intensité, en deçà d'un

facteur de trois. Les impulsions PR, PS sont plus avanta-

geusement sensiblement égales en intensité. De cette manière, le contraste entre le courant photo-électrique dans les modes de fonctionnement en recouvrement et sans

recouvrement est élevé au maximum.

Plusieurs techniques de préparation et de traitement ont été essayées et se sont avérées produire des dispositifs satisfaisants pour des applications de corrélation. Toutes les matières essayées étaient non dopées. Des matières cristallines et amorphes sont décrites. Des matières ont été préparées dans un état amorphe par des techniques classiques de dépôt chimique en phase vapeur et de pulvérisation. Ces matières étaient du type a-Si, souvent hydrogénées. Ainsi qu'il est bien connu, de telles matières tendent à se dégrader lorsqu'elles sont exposées à la lumière (voir K. A. Epstein, N.T. Tran., F. R. Jeffrey et A. R. Moore, Appl. Phys. Lett., 49, 173 (1987) et, malgré un comportement acceptable en tant que dispositifs de corrélation, elles ne constituent pas les

matières préférées pour la fabrication de ces dispositifs.

Cependant, pour des préparations peu coûteuses et des applications à faible usage, des films minces amorphes

peuvent être une alternative avantageuse.

On a réalisé des photoconducteurs supérieurs à partir de matières cristallines. La technique actuellement

préférée fait appel aux étapes suivantes.

La matière préférée de départ est un substrat de silicium cristallin non dopé ayant suivi une croissance sur un saphir tel que fourni, par exemple, par la firme Union Carbide Corporation (Seekonk, Mass. 02771). Pour des dispositifs a grande vitesse, l'épaisseur du substrat de

saphir est importante dans le sens habituel de la con-

ception des lignes de transmission, en particulier dans la configuration en microbande ou en lignes en bande ou ruban ("Stripline") (voir T. C. Edwards, Foundations for MicrostriD Circuit Design, John Wiley & Sons, Chichester, 1981. Pour d'autres conceptions, l'épaisseur du saphir peut être modifiée, même pour des applications à grande vitesse lorsqu'une conception coplanaire est utilisée (voir "C. P. Wen, "Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Non reciprocal Gyro Magnetic Device Applications" IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques, Décembre 1969, pages 1087-1090). Des dis-

positifs ayant une épaisseur de saphir de 400 mm et une épaisseur de silicium de 0,6 um ont été utilisés pour réaliser de bons dispositifs de corrélation. Lorsque l'on a utilisé une conception en microbande pour un traitement de signaux à grande vitesse, avec une résolution de moins de picosecondes, on a utilisé des échantillons de saphir d'une épaisseur de 125 à 165 Mm avec un filmin de silicium

d'une épaisseur de 0,6 Mm.

Pour ces applications, les tranches de 5 cm de diamètre, fournies par la firme Union Carbide, ont été découpées en dimensions commodes (carrés de 10 x 10 mm) pour le traitement. Les étapes de traitement effectuées pour former des contacts électriques sont classiques pour le silicium, avec un soin supplémentaire pour l'obtention de bons contacts ohmiques: 1. Evaporation d'un film d'aluminium d'une

épaisseur d'environ 250 nanomètres.

2. Application par centrifugation d'une photorésine ("Shipley Co. Az 1350J) pendant 30 secondes à

environ 3000 tours par minute.

3. Cuisson & l100C pendant environ 12 minutes.

4. Projection d'un masque positif de la géométrie d'électrodes souhaitée au moyen d'un dispositif

d'alignement de marque tel que celui produit par "Kasper".

Le masque utilisé dans cet exemple avait un intervalle d'électrodes L = 20 Mm. La largeur d'électrode était

approximativement égale à l'épaisseur du saphir.

5. Développement du film exposé, suivi d'une

cuisson pendant 10 minutes à 125 C.

6. Elimination par attaque chimique de l'aluminium avec une solution d'attaque convenable de l'aluminium telle que la suivante: une partie de H3P04,

une partie de HNO3 et une partie d'eau désionisée.

7. Nettoyage de l'échantillon.

8. Implantation d'environ 5 x 1014 ions Si+ par

cm2 à environ 250 kV en utilisant un dispositif d'implanta-

tion ionique tel que celui produit par "DANYFSIK". Si on ne dispose pas d'une tension de 250 kV, on peut implanter des

ions Si++ à la moitié de la tension précédente.

Lorsqu'il est ainsi préparé, le dispositif fini est placé dans un montage convenant à une mise en contact de l'électrode à film mince avec certaines électrodes plus grosses auxquelles on peut relier des conducteurs de polarisation et de signaux. Lorsque le dispositif est mis en oeuvre dans une configuration de lignes de transmission à microbande, on utilise des transitions classiques du commerce, pour le passage de la structure coaxiale à la structure microbande, telle que celle que l'on peut obtenir, par exemple, auprès de la firme Pasternack

Enterprises, P.O. Box 16759, Irvine, CA 92713.

Cet exemple particulier de fabrication de matière et du dispositif n'entend pas être limitatif. En général, on préfère actuellement des matières cristallines telles que du silicium sur du saphir. Cependant, d'autres matières cristallines telles que du silicium sans saphir, du germanium, de l'arséniure de gallium, du tellurure de cadmium, du séléniure de cadmium, du sulfure de cadmium et autres qui sont convenablement modifiés pour être des corrélateurs efficaces peuvent être utilisées. Il est souhaitable de diminuer le coefficient de diffusion ambipolaire afin que le temps de diffusion ambipolaire rD reste important par rapport à la durée de vie des porteurs rC, ce qui conserve à une valeur aussi élevée que possible la mobilité de l'une des espèces porteuses (généralement la mobilité des électrons). On sait généralement que pour qu'une matière soit un bon photoconducteur, le produit de la mobilité p par la durée de vie TC des porteurs doit être aussi grand que possible. Pour un bon dispositif de corrélation, la matière doit avantageusement être traitée afin d'assurer que la durée de vie des porteurs rC<rD ou TC"<<rD et que gTC reste encore aussi grand que possible. En d'autres termes, grC est avantageusement grand grâce à un p important plutôt que grâce à un rC important (ce qui

pourrait donner TC>TD ou rC7- TD)-.

D'autres procédés pour satisfaire ces condi-

tions comprennent ce qui suit: A. Introduire des défauts dans la matière comme

dans le cas du silicium sur saphir décrit précédemment.

B. Introduire des impuretés d'un donneur profond qui devrait être ionisé uniquement par les faisceaux en interférence. Ces impuretés pourraient être introduites dans le processus de croissance ou par diffusion interne ou par implantation suivie d'un recuit dans un semi-conducteur dont la bande interdite est plus' grande que l'énergie photonique; dans ce cas, les ions positifs ionisés devraient être totalement immobiles, donnant un coefficient de diffusion ambipolaire de zéro ou

presque zéro.

C. Engendrer des manques d'homogénéité dans la structure du cristal afin d'inhiber le mouvement des trous plus que le mouvement des électrons en fonctionnement transitoire; dans ce cas, le dispositif est réalisé de façon que les photo-électrons circulent dans une direction perpendiculaire aux couches alternantes d'arséniure de gallium et d'arséniure de gallium-aluminium, qui forment une structure dite de puits quantiques; initialement, lorsque des paires électrons-trous viennent d'être engendrées, les électrons ont une énergie élevée et ils se déplacent donc librement à travers les barrières de puits

quantiques, tandis que les trous sont relativement im-

mobiles; après le stade transitoire initial, les puits

quantiques inhibent toute diffusion et tout mouvement.

- Les détails suivants de réalisation ont été utilisés pour p-oduire l'autocorrélateur 20. Il est évident

que ces détails ne sont donnés qu'à titre illustratif.

La résistance 16 peut être une résistance classique au carbone de 100 kilohms. L'alimentation 18 en énergie peut être une alimentation ou une batterie quelconque de bonne stabilité, à faible ondulation, qui fournit une tension de l'ordre de 0 à 100 volts avec un courant pouvant s'élever à 10 mA. Une alimentation du type Sorensen modèle 5002-10 s'est avérée convenable et une tension de 10-40 volts convient pour le photoconducteur 10

décrit ci-dessus et pour la source optique décrite ci--

dessous. L'analyseur 40 de courant peut être tout analyseur convenable pour des courants de 1 pA à 10 mA ou pour des

tensions correspondantes pour la résistance 16 décrite ci-

dessus. Un enregistreur X-Y de la firme Hewlett Packard-

* Moseley, modèle 7035-B s'est révélé satisfaisant, l'axe Y étant attaqué par une tension en dents de scie. D'autres analyseurs, tels que ceux utilisant des amplificateurs à

blocage, peuvent évidemment être utilisés.

La source optique 22 peut être un laser à colorant Spectra Physics 375-B à pompage synchrone, avec un laser Nd:YAG doublé en fréquence, Spectra Physics Série 3000 ayant une puissance moyenne de sortie du

faisceau de 10 mW.

Tous dispositifs classiques convenables peuvent être utilisés pour le diviseur optique 24 et le miroir 26, y compris des dispositifs fabriqués en couches d'aluminium

réfléchissantes sur du verre.

Un dispositif à retard convenable 30 peut être fabriqué par montage d'un rétroréflecteur sur une platine de microscope à micromètre entraînée par un moteur synchrone à faible vitesse de rotation. Une platine

convenable peut être obtenue auprès de Klinger Scientific.

Si les signaux du courant photo-électrique sont affichés sur un moniteur de signaux à grande vitesse tel qu'un oscilloscope, il est préférable d'utiliser une résistance de 50 ohms de haute qualité ou une résistance

d'entrée d'un instrument telle que la tête d'échantil-

lonnage Tektronix S-6. Dans ce cas, le photoconducteur 10 doit avantageusement être réalisé sous la forme d'une microbande avec des lignes de transmission conçues pour une

compatibilité avec une résistance de charge de 50 ohms.

L'autocorrelateur 20 peut être utilisé pour contrôler des signaux optiques très courts et il convient

aussi à des applications de communication optique cohé-

rente.

En ce qui concerne le dispositif d'échantillon-

nage, les figures 8 à 0lB concernent un dispositif d'échantillonnage 50 qui comprend une autre forme de réalisation de l'invention. Le dispositif d'échantillonnage comprend un photoconducteur 10, une résistance 16 et une alimentation 18 en courant continu identiques à ceux décrits. Cependant, dans ce cas, deux sources optiques séparées 52 et 54 sont prévues. Dans cet exemple, les deux sources 52, 54 génèrent des impulsions de lumière cohérente centrées à la même longueur d'onde. Les impulsions générées par la source 52 sont des impulsions de sonde Pp de courte durée qui sont retardées dans un dispositif 30 de retard à

longueur de trajet variable, puis dirigées sur le photo-

conducteur 10. Les impulsions générées par la source 54 sont des impulsions PS d'échantillonnage de plus grande durée qui sont dirigées vers le photoconducteur 10. Les deux impulsions Pp et PS sont générées à intervalles réguliers et, à la génération, l'impulsion de test Pp

précède (ou est en retard sur) l'impulsion d'échantillon-

nage PS dans chaque cycle d'impulsions.

Le courant photo-électrique passant dans le photoconducteur 10 est analysé dans un analyseur 56 (figure 9). Cet analyseur 56 intègre le signal d'entrée (qui est proportionnel au courant photo-électrique) à l'intérieur de chaque cycle d'impulsions dans un intégrateur 58, inverse la valeur intégrée Q dans un inverseur 60 et applique la valeur inversée - Q à un additionneur 64. L'additionneur

reçoit une autre entrée QS d'une mémoire 62, et l'addition-

neur applique le signal QS(T)=QS-Q à un afficheur 66 o T

est le retard entre Pp et Ps.

Le fonctionnement du dispositif d'échantillon-

nage est illustré sur les figures 10A et 0lB. Comme montré sur la figure 10A, lorsque les impulsions Pp, PS ne se chevauchent ou ne se recouvrent pas dans le temps, la

valeur intégrée Q est égale à Qp+Qs' o Qp est le courant-

photo-électrique intégré associé à l'impulsion de test Pp et QS est le courant photo-électrique intégré associé à l'impulsion d'échantillonnage PS. Cependant, lorsque les impulsions Pp, PS se chevauchent dans le temps, elles sont en interférence, engendrant des noeuds de porteurs comme montré sur la figure lB. Cette interférence optique a pour résultat une vive diminution du courant photo-électrique J pendant le temps du chevauchement ou recouvrement (figure lB). Cette diminution du courant photo-électrique J réduit la valeur intégrée Q d'une quantité proportionnelle à l'amplitude de l'impulsion échantillon PS à l'instant du chevauchement. L'analyseur 56 soustrait Q de QS pour générer QS(f) pour l'affichage. QS(r) est proportionnel à l'amplitude de l'impulsion échantillon PS correspondant à r. Le dispositif de retard 30 permet à t d'être ajusté et à diverses parties de l'impulsion échantillon PS d'être mesurées. Les figures lOC à 10E illustrent la façon dont le dispositif d'échantillonnage de la figure 8 peut être utilisé pour mesurer la forme et l'amplitude de l'impulsion échantillon PS. L'impulsion test Pp est analysée en regard

de l'impulsion échantillon PS pendant des cycles con-

sécutifs par variation du temps de retard r montré sur la figure 10C. Le courant photo-électrique intégré Q(r) est ensuite enregistré pour chaque valeur de r afin qu'il soit généré une forme d'onde telle que celle montrée sur la figure 10D. Sur la figure 10D, Q(r) est égal à Qs+Qp pour des valeurs de r auxquelles il n'y a pas de chevauchement entre QS et Qp. Pour les valeurs de r auxquelles QS et Qp se chevauchent, Q(r) est inférieur à QS+Qp d'une quantité

L(r) proportionnelle à l'amplitude PS à l'instant cor-

respondant. La courbe de la figure 10D peut être inversée et décalée de (QS+Qp) pour produire la courbe de la figure

E qui est proportionnelle à PS(t).

Les figures 11 à 13 concernent un dispositif de'

commutation 70 qui produit un signal de sortie VO cor-

respondant à une combinaison logique de deux signaux optiques logiques PLl et PL2- Comme montré sur la figure 11, les signaux logiques PL1, PL2 sont générés par des sources respectives 72, 74. Les signaux logiques PL1, PL2 devraient être de la même longueur d'onde optique et sont

suffisamment cohérents pour générer une figure d'inter-

férence sur le photoconducteur 10 lorsqu'ils se chevauchent ou se superposent dans le temps et l'espace. Les signaux logiques PL1, PL2 doivent être égaux en intensité, en deçà

d'un facteur de trois, et ils sont de préférence sensible-

ment égaux en intensité. Le photoconducteur 10 peut être identique à celui décrit ci-dessus en regard de la figure 5. Comme expliqué précédemment, la chute de tension aux bornes de la résistance 16 est proportionnelle au courant photo-électrique et, dans le dispositif de commutation 70, cette tension est appliquée en tant que

signal d'entrée à un analyseur 76 de courant photo-

électrique (figure 12). La tension est intégrée dans un intégrateur 78 pendant un temps choisi pour générer une valeur intégrée Q. Cette valeur Q est comparée à une référence QR dans un comparateur 82, et le signal de sortie

V0 est établi conformément au résultat de la comparaison.

V0 peut être appliqué en tant que signal de sortie à

d'autres circuits logiques.

Q est égal à O lorsque ni PL, ni PL2 ne sont présents; Q est égal à Q1 lorsque soit PLI, soit PL2 est présent; et Q est égal à Q2 lorsque PL1 et PL2 sont tous deux présents (figure 13). En raison des effets de

modulation de porteurs induits par interférence décrits ci-

dessus, Q2 est très inférieur à Q1. QR peut être établi entre Q1 et Q2 et cette valeur pour QR produit les valeurs montrées sur la figure 13 pour VO: V0 est dans l'état logique haut VH lorsque l'un des signaux PL1, PL2 est présent, et V0 est dans l'état logique bas VL autrement. Le

dispositif de commutation 70 effectue une combinaison OU-

EXCLUSIF de PL1 et PL2 et, en fait, il commute optiquement PL1 suivant la présence ou l'absence de PL2. Dans le dispositif de commutation 70, les signaux logiques PL1, PL2 sont commutés en amplitude. En variante, une commutation optique de fréquence, une commutation spatiale ou une commutation de polarisation peut être utilisée pour moduler l'un des signaux logiques PLI, PL2 ou les deux signaux

logiques PLI, PL2, l'amplitude étant maintenue constante.

L'analyseur 76 de courant photo-électrique peut-

évidemment être remplacé (1) par un dispositif d'affichage de signaux à grande vitesse tel qu'un oscilloscope pour un affichage en temps réel, ou (2) par un analyseur logique pour un travail numérique. On décrira à présent un analyseur de spectre optique. Dans les formes de réalisation décrites précédemment, les deux signaux optiques en interférence sont de la même longueur d'onde optique. Cependant, si l'un des signaux optiques comprend un rayonnement possédant plus

d'une longueur d'onde optique, le corrélateur de l'inven-

tion peut alors fonctionner en tant que corrélateur de longueurs d'ondes, tel qu'un analyseur de spectre optique

ou un démultiplexeur optique.

Les figures 14 à 17C concernent une forme de réalisation du corrélateur de longueurs d'ondes selon l'invention qui fonctionne comme analyseur de spectre optique. Comme montré sur la figure 14, cet analyseur de

spectre optique est identique au dispositif d'échantillon-

nage de la figure 8 en ce qui concerne le photoconducteur

et l'analyseur 56 de courant photo-électrique. Cepen-

dant, les deux sources optiques 52', 54' de la figure 14

diffèrent de celles de la figure 8. En particulier, la-

source optique 52' à fréquence variable génère un signal test ou sonde optique Pp' qui possède une fréquence optique variable en continu. Dans cet exemple, le signal de sonde est une séquence répétitive d'impulsions de fréquence

optique i pouvant être choisie.

La source 54' de signal échantillon optique génère un signal échantillon PS' qui, dans cet exemple, est une séquence répétitive d'impulsions ayant chacune un spectre optique à bande large. Les deux signaux Pp', PS' se chevauchent ou se recouvrent dans le temps et dans l'espace

sur le photoconducteur 10. Le signal test p ' est suffisam-

ment cohérent pour engendrer une figure d'interférence stationnaire avec une composante quelconque du signal échantillon PS' ayant la même fréquence optique 0 que

celle du signal test Pp'.

Les figures 15A et 15B montrent l'intensité des

signaux Pp', PS', respectivement, en fonction du temps.

Dans cet exemple, les deux signaux Pp', PS' se recouvrent

complètement dans le temps.

Les figures 16A et 16B montrent la distribution de fréquence des signaux PS', Pp', respectivement. Le signal échantillon PS' possède une distribution arbitraire à bande large sur une gamme de fréquences optiques. Par contre, le signal sonde Pp' possède une distribution spectrale relativement étroite centrée, dans la figure 16b,

sur la fréquence 0.

La figure 16c montre le courant photo-

électrique Jo produit par le photoconducteur 10 lorsque les deux signaux Pp', PS' sont tous deux incidents sur le photoconducteur 10 et que la fréquence du signal sonde Pp,

ne recouvre pas la fréquence du signal échantillon PS'.

Dans cette situation, aucune figure d'interférence stationnaire n'est créée et le courant photo-électrique pendant les signaux est d'une valeur constante égale à la somme des courants photo-électriques produits par les deux

signaux PS' Pp' individuellement.

Pour obtenir une analyse spectrale du signal échantillon PS', on fait varier dans le temps la fréquence du signal sonde Pp', comme montré sur lafigure 17a. Ceci amène le signal d'impulsions Pp' à analyser le signal échantillon Ps' dans le domaine des fréquences. Lorsque le signal échantillon PS' possède une composante de fréquence à la fréquence du signal sonde Pp', les composantes des deux signaux ayant la même fréquence optique engendrent une

figure d'interférence stationnaire comme décrit ci-dessus.

Cette figure d'interférence stationnaire provoque une

modulation de porteurs qui réduit le courant photo-

électrique généré par le photoconducteur 10. La réduction

du courant photo-électrique est proportionnelle à l'ampli-

tude de la composante spectrale du signal échantillon PSI qui correspond à la fréquence du signal sonde Pp'. La figure 17b montre un graphique du courant photo-électrique J(t') en fonction de la coordonnée t' d'analyse en fréquence lorsque la fréquence J (t') du signal sonde Pp' est augmentée en continu. Le graphique de la figure 17B a été construit sensiblement de la même manière que celui de la figure 0lB décrite précédemment, sauf que, dans ce cas, le signal sonde analyse le signal échantillon dans le domaine des fréquences plutôt que dans le domaine des temps. En inversant le graphique J(t') du courant photo-électrique de la figure 17B et en soustrayant une constante correspondant à J0, on peut générer la forme d'onde de la figure 16C. Cette forme d'onde donne une mesure de la distribution spectrale de l'énergie dans le

signal échantillon PS'.

En variante, les signaux PS' et Pp' peuvent être des signaux émis en continu plutôt que les signaux à

impulsions décrits précédemment.

Les figures 18 et 19A à 19F ont trait à un démultiplexeur optique constituant une forme de réalisation

de l'invention et fonctionnant à la manière d'un cor-

rélateur de longueurs d'ondes. Comme montré sur la figure 18, ce démultiplexeur comprend une source 90 de signal sonde optique 90 et une source 92 de signal échantillon optique. La source 90 produit un signal échantillon Sp qui est incident sur un photoconducteur 10 identique à celui décrit précédemment. De façon similaire, la source 92 génère un signal échantillon Ss qui est incident sur un diviseur optique 94. La composante transmise du signal échantillon Ss est incidente sur le photoconducteur 10 et la partie réfléchie du signal échantillon Ss est incidente sur un second photoconducteur 10'. Le photoconducteur 10' peut être un photoconducteur classique ou bien il peut être identique au photoconducteur 10. Ce dernier génère un courant photo-électrique et le signal JB(t) est proportion- nel à ce courant photo-électrique. De façon similaire, le photoconducteur 10' génère un courant photo-électrique qui

est proportionnel au signal de sortie JA(t).

Comme montré sur la figure 19A, leO signal échantillon Ss de cette forme de réalisation.est un signal logique multiplexé *en longueurs d'ondes constitué d'une série d'impulsions. Chacune des impulsions possède une amplitude constante et les impulsions peuvent être de l'une quelconque de'trois fréquences optiques 1, O 2, %3- I1 est évident qu'un nombre plus grand ou plus faible de fréquences optiques peut être utilisé dans d'autres formes

de réalisation.

Comme montré sur la figure 19B, le signal sonde Sp de cette forme de réalisation est un signal à amplitude constante de fréquence '>2. La figure 19C montre le signal de sortie JB(t) lorsque seule la source 90 fonctionne et

que seul le signal sonde Sp est incident sur le photo-

conducteur 10. Dans ces conditions, le courant photo-

électrique généré par le photoconducteur 10 est un signal'

d'amplitude constante ayant une amplitude J2.

La figure 19 montre le signal de sortie JA(t).

On suppose dans cet exemple que les photoconducteurs 10, ' ont des réponses spectrales identiques et que la réponse spectrale des photoconducteurs 10, 10' est sensiblement identique aux fréquences 1j, 0 2, 3. Dans ces circonstances, JA(t) comme montré sur la figure 19D correspond étroitement au signal échantillon SS comme

montré sur la figure 19A..

Le signal de sortie JB(t), lorsque, à la fois, le signal échantillon Ss et le signal sonde Sp sont incidents sur le photoconducteur 10, est montré sur la figure 19E. Durant des impulsions du signal échantillon Ss à des fréquences 0 1 ou Q 3, le signal de sortie JB(t) est à une valeur élevée, correspondant à la somme des courants photo-électriques générés par chacun des signaux Sp, Ss, séparément. Il en est ainsi car le signal sonde Sp est à la fréquence 02, tandis que le signal échantillon Ss est soit à la fréquence 1, soit à la fréquence 3-. Lorsque les deux signaux ont des fréquences optiques différentes, aucune figure d'interférence stationnaire n'est créée et il n'y a pas de réduction du courant photo- électrique résultant d'une modulation des porteurs comme décrit précédemment. Cependant, le courant photo-électrique JB(t) est à un niveau sensiblement inférieur pendant les impulsions du signal échantillon Ss à la fréquence '2. Pour des impulsions à la fréquence \ 2, les deux signaux Sp, Ss sont suffisamment cohérents pour qu'une interférence optique entre le signal sonde Sp et le signal échantillon

Ss réduise sensiblement ou même élimine le courant photo-

électrique généré par le photoconducteur 10. La forme d'onde résultante est montrée sur la figure 19E. Les amplitudes des signaux Sp et de la composante 0 2 du signal SS sont avantageusement égales entre- elles au niveau du photoconducteur 10, en deçà d'un facteur de trois. Ces deux

amplitudes sont plus avantageusement égales entre elles.

Le démultiplexeur de la figure 18 comprend un élément de sommation 96 qui génère un signal de sortie J(t) égal à JA(t)-JB(t)+J2. Comme montré sur la figure 19F, J(t) comprend une impulsion uniquement aux instants auxquels le signal échantillon Ss comprend une impulsion de fréquence Q2'

Il ressort clairement de cette description que

les signaux de JB(t), JA(t) peuvent être utilisés pour détecter uniquement des signaux d'une fréquence choisie parmi la totalité des impulsions générées par la source de signaux 92. En ajustant simplement la longueur d'onde du signal sonde Sp pour qu'elle corresponde au jeu souhaité d'impulsions dans le signal échantillon SS, on peut démultiplexer pour un traitement suivant le jeu souhaité d'impulsions. Le démultiplexeur décrit ci-dessus peut être simplifié par la suppression du photoconducteur 10', du diviseur optique 94 et de l'élément de sommation 96, pourvu que la distribution spectrale du signal sonde Sp soit convenablement choisie. Par exemple, si le signal sonde possède des composantes de fréquence à) 1 et ' 2, le courant photo-électrique JB(t) indiquera sélectivement uniquement des impulsions de fréquence) 3 dans le signal échantillon Ss, et les signaux de fond pendant les

intervalles ALt; At peut être ramené à zéro.

Dans le démultiplexeur décrit ci-dessus, le signal Ss est modulé en amplitude. En variante, une modulation de fréquence optique, une modulation spatiale ou une modulation de polarisation peuvent être substituées ou

combinées à la modulation d'amplitude.

L'invention n'est évidemment pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus. On peut modifier des caractéristiques du photocapteur dans une large mesure tout en obtenant la réduction souhaitée dans le signal du capteur lorsque la figure d'interférence est générée. On peut optimiser en totalité les matières, les durées de vie des porteurs et les vitesses de diffusion des porteurs pour l'application particulière traitée. En outre, les capteurs photovoltaiques peuvent être aussi bien adaptés pour détecter la présence d'une figure d'interférence par

modulation de porteurs induite par interférence.

L'invention n'est pas limitée à une utilisation avec des signaux compris dans une zone quelconque du spectre électromagnétique, et les termes "optique", "photo" et "lumière" n'entendent pas être limités à la lumière visible. De plus, des faisceaux en interférence autres que des faisceaux optiques peuvent être utilisés avec des

détecteurs convenables.

Il n'est pas non plus essentiel, dans toutes les formes de réalisation, que les faisceaux soient incidents sur le capteur à partir d'un côté du capteur

comme montré sur la figure 1A. Avec des capteurs con-

venables, on peut faire interférer les faisceaux & l'intérieur du capteur. L'angle e peut alors avoir une

gamme complète et les faisceaux peuvent être anti-

parallèles. Dans une matière à indice de réfraction élevé, un espacement nodal pratique peut descendre à une valeur

aussi faible que 100 nanomètres.

Il est évident que l'invention n'est pas limitée à une utilisation avec des faisceaux polarisés dans des plans ou à des figures d'interférence à noeuds rectilignes. On peut utiliser des figures d'interférence plus complexes pourvu qu'elles modifient la résistance

utile ressentie par les porteurs de charge dans le capteur.

Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, un signal de courant photo-électrique est intégré pour mesurer Q afin de détecter la présence ou l'absence de la figure d'interférence. En variante, on peut mesurer

d'autres paramètres. Par exemple, le courant photo-

électrique peut être affiché en temps réel sur un oscil-

loscope et l'amplitude du courant- photo-électrique peut

être mesurée pour l'obtention d'un résultat similaire.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au corrélateur décrit et représenté

sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (21)

REVENDICATIONS

1. Corrélateur (20, 50, 70) basé sur une

modulation de porteurs induite par interférence, carac-

térisé en ce qu'il comporte un système capteur (10) comprenant un élément capteur (14) pouvant fournir des porteurs de charges lorsqu'il est excité par un faisceau d'énergie et des moyens (10, 16, 18) destinés à générer un signal de capteur en réponse aux porteurs de charges; des moyens (22, 24, 30) destinés à diriger des premier et second signaux de faisceaux (PR, PS) sur l'élément capteur (14) pour former sur celui-ci une figure d'interférence lorsque les signaux de faisceaux (PR, PS) se chevauchent dans le temps et l'espace sur l'élément capteur (14), ladite figure d'interférence produisant une modulation spatiale dans 1l- distribution desdits porteurs, les premier et second signaux de faisceaux (PR, Ps) comprenant dès composantes respectives en interférence qui se chevauchent dans le temps, en fréquence de faisceau et dans l'espace sur le capteur (14), et les intensités des deux composantes en interférence étant identiques en deçà d'un facteur de trois, le corrélateur étant caractérisé par des moyens (40) destinés à contrôler le signal du capteur pour détecter un paramètre de ce signal qui varie en fonction de la présence

de la figure d'interférence.

2. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les intensités des deux composantes en interférence sont identiques en deçà d'un facteur de 1,5.

3. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les intensités des deux composantes

en interférence sont sensiblement égales entre elles.

4. Corrélateur selon la revendication 1; caractérisé en ce que ladite figure d'interférence définit un espacement nodal caractéristique ( A), dans lequel lesdits porteurs comprennent des porteurs de mobilité plus élevée et des porteurs de mobilité plus faible, lesdits porteurs ayant une longueur de diffusion ambipolaire

inférieure à l'espacement nodal caractéristique (A).

5. Corrélateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les porteurs de mobilité plus élevée

ont une mobilité supérieure à 10 cm2/volt-s.

6. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second signaux de faisceaux ont sensiblement la même distribution de

fréquence de faisceaux.

7. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de direction (22, 24, 30)

comprennent une source (22) destinée à générer un fais-

ceau; un diviseur optique (24) destiné à diviser le faisceau en premier et second faisceaux partiels; un moyen à retard (30) destiné à retarder le premier faisceau partiel d'une valeur variable pour former le premier signal de faisceau (Pp); le second faisceau partiel étant appliqué à l'élément capteur en tant que second signal de faisceau (PS)*

8. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de direction (22, 24, 30) comprennent un moyen (54) destiné à générer un signal échantillon (Ps) de plus longue durée en tant que premier signal de faisceau, un moyen (52) destiné à générer un signal sonde de plus courte durée et un moyen à retard (30) destiné à retarder le signal sonde d'une valeur variable pour former le second signal de faisceau (Ps) afin de permettre au second signal de faisceau (PS) d'être synchronisé dans le temps avec des parties choisies du

premier signal de faisceau (Pp).

| 9. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second signaux de faisceaux (Pp, Ps) comprennent des signaux logiques et en ce que les moyens de contrôle (76) comprennent des moyens (78, 80, 82) destinés à indiquer une combinaison logique

des premier et second signaux-de faisceaux.

10. Corrélateur selon la revendication 9,

caractérisé en ce que la combinaison logique est un OU-

EXCLUSIF.

11. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second signaux de faisceaux (Pp, PS) comprennent des premier et second signaux logiques (PL1, PL2), respectivement, le paramètre détecté étant représentatif du premier signal logique

(PL1) commuté en réponse au second signal logique (PL2)-

12. Corrélateur selon la revendication 1,

caractérisé en ce que le paramètre détecté est représen-

tatif d'une intégration du signal du capteur et en ce que les moyens de contrôle (56) comprennent un moyen (58) destiné à intégrer le signal du capteur pour former une

valeur intégrée.

13. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système capteur (10) comprend deux électrodes (12) situées sur des côtés opposés de l'élément capteur (14), en ce que les électrodes (12) définissent un axe de champ électrique s'étendant entre elles, en ce que la figure d'interférence amène la modulation spatiale des

porteurs à être agencée dans des plans et en ce qu'au moins-

certains des plans coupent l'axe du champ sous un angle (8)

supérieur à zéro.

14. Corrélateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'angle (e) est sensiblement égal à

environ 90 .

15. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation spatiale dans la distribution des porteurs réduit le signal du capteur de manière qu'une valeur intégrée du signal du capteur soit plus petite, lorsque les premier et second signaux (PR, PS) interfèrent pour former la figure d'interférence, que

lorsque les premier et second signaux (PR, PS) n'inter-

fèrent pas.

16. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corrélateur (20, 50, 70) est un corrélateur de domaine de fréquence dans lequel le second signal de faisceau (Ps) comprend des premières composantes de fréquence qui coincident sensiblement, en fréquence de faisceau, avec le premier signal de faisceau (Pp, PR) et des secondes composantes de fréquence qui ne se superposent pas, en fréquence de faisceau, au premier signal de faisceau (Pp, PR), et dans lequel la figure d'interférence résulte uniquement d'une interférence entre le premier signal de faisceau (Pp, PR) et les premières composantes de

fréquence du second signal de faisceau (Ps).

17. Corrélateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le premier signal de faisceau (Pp) comprend un signal sonde (PL1) à une fréquence de faisceau O 1, en ce que le second signal de faisceau (Ps) comprend

un signal logique (PL2) comportant des premières impul-

sions à une fréquence de faisceau \ 1 et des secondes impulsions à une fréquence de faisceau 2, et en ce que les premières impulsions sont incluses dans les premières composantes de fréquence et les secondes impulsions sont

incluses dans les secondes composantes de fréquence.

18. Corrélateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le premier signal de faisceau (Pp) possède une distribution de fréquence plus étroite que la distribution de fréquence du second signal de faisceau (Ps), et en ce que les moyens de direction comprennent un moyen (52') destiné à ajuster la distribution de fréquence du premier signal de faisceau pour qu'elle recouvre des parties choisies et variables de la distribution de

fréquence du second signal de'faisceau.

19. Corrélateur selon la revendication 1,

caractérisé en ce que le capteur (10) comprend un photo-

capteur (14), en ce que les signaux de faisceaux (Pp, PS) comprennent des signaux optiques respectifs et en ce que les fréquences de faisceaux correspondent à des fréquences optiques.

20. Corrélateur selon la revendication 19,

caractérisé en ce que le capteur (10) comprend un photo-

conducteur.

21. Corrélateur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le photoconducteur (10) comprend au moins deux électrodes (12) et un semi-conducteur cristallin

(14) interposé entre elles.