TITRE : Dispositif optoélectronique planaire de génération d’un signal hyperfréquence

DOMAINE DE L’INVENTION

[001] L’invention s’inscrit dans le domaine des dispositifs émetteurs de puissance hyperfréquence (RF), et plus précisément des dispositifs optoélectroniques à base de photodétecteurs typiquement semiconducteurs. Le dispositif selon l’invention est particulièrement adapté pour l’émission d’ondes de forte puissance et hautes fréquences, comprises entre 30 GHz et 1 THz. Ces dispositifs trouvent à s’intégrer dans des systèmes radar haute fréquence (typiquement >60GHz), des systèmes de transmission de données très haut débit (5G, transmission de données sans contact), des systèmes de spectroscopie, de détection.

ETAT DE LA TECHNIQUE

[002] Pour les systèmes RADAR et pour les transmissions de données, une des tendances est d’augmenter la fréquence des signaux dans la gamme millimétrique (30-300 GHz) voir jusqu’à 1THz dans le futur. Dans la partie haute de cette gamme, il est difficile de générer beaucoup de puissance et de transporter les signaux. Les solutions optiques ont de nombreux avantages comme la possibilité de transporter les signaux pratiquement sans pertes sur fibre optique, d’accorder largement la fréquence générée et de contrôler la phase du signal généré. Cependant les puissances générées sont souvent insuffisantes. En effet par voie optique il est facile d’amplifier les signaux, ce qui devrait permettre des puissances très élevées. Cependant des photodétecteurs ayant une tenue à la puissance suffisante n’existent pas à ce jour. Les photodiodes sont limitées par le compromis qui fait que :

- pour augmenter la tenue à la puissance il faut augmenter les dimensions et l’épaisseur des couches, alors que - pour avoir une réponse en fréquence satisfaisante il faut réduire les dimensions et l’épaisseur des couches.

[003] Ces composants ont une tenue aux fortes puissances optiques incidentes limitée, notamment à cause de phénomènes thermo-électriques.

[004] Jusqu’à présent pour augmenter la puissance maximale que peut générer une photodiode on joue sur les dimensions géométriques du composant et sur les épaisseurs des couches qui le constituent. Cependant cette approche se trouve limitée quand on veut avoir un signal élevé à haute fréquence. En effet on souhaitera avoir de grandes dimensions pour la génération de fortes puissances mais pour générer des hautes fréquences on doit limiter les effets de capacité parasite que l’on a avec de grandes dimensions.

[005] Ainsi les photodiodes à semiconducteurs sont une solution prometteuse pour générer des signaux à très haute fréquence, jusqu’au térahertz, avec un bon contrôle de la fréquence et de la phase, mais leur application butte sur leur tenue à la puissance à haute fréquence.

[006] Des solutions utilisant un réseau de photodiodes arrangées en ligne et reliées par une ligne coplanaire permettent de réduire la contrainte en répartissant la puissance. Cependant dans ce cas la moitié de la puissance est perdue dans la charge placée à l’une des extrémités de la ligne.

[007] Des solutions utilisant des réseaux de photodiodes intégrées avec des antennes ont également été proposées. Par exemple le document « Photodiode-lntegrated Microstrip Antenna Array for Subterahertz Radiation » de Shimizu et al (IEEE Photonics technology letters, Vol 18, n°6, 15 mars 2006) décrit un système matriciel de N photodiodes planaires indépendantes illustré figure 1 comprenant une source (non représentée) couplée à un système optique Opt complexe permettant d’éclairer individuellement chaque photodiode de la matrice déposée sur un substrat SubP en InP. Chaque photodiode est couplée à une antenne de type microstrip déposée sur un substrat diélectrique SubD pour former une matrice MAA (« Microstrip Array Antenna » en anglais). L’onde RFoutput émise par le système, d’environ 1 mW, est la somme cohérente des émissions des N antennes individuelles. Chaque antenne individuelle a une dimension autour de 230 pm qui correspond à la demi-longueur d’onde associée à la fréquence de résonnance de 300 GHz.

[008] Un inconvénient de cette solution est que la lumière éclaire toute la surface du substrat et donc qu’une grande partie de la puissance optique incidente n’est pas photodétectée, le rendement global est très faible. En outre du fait de la taille de chaque antenne individuelle la taille globale de la matrice d’antenne est importante.

[009] Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif optoélectronique de génération et de rayonnement d’un signal RF haute fréquence et de forte puissance peu coûteux et peu encombrant.

DESCRIPTION DE L’INVENTION

[0010] La présente invention a pour objet un dispositif optoélectronique pour générer et rayonner un signal électromagnétique présentant au moins une fréquence centrale F0 comprise entre 30GHz et 1THz comprenant :

-un guide diviseur configuré pour diviser, dans un plan XY, un faisceau optique d’entrée porteur dudit signal électromagnétique en n faisceaux élémentaires,

-un ensemble de n photodiodes comprenant un matériau semi-conducteur disposées sur au moins une ligne, les photodiodes d’une ligne étant reliées électriquement entre elles en série par un ensemble métallique planaire comprenant une pluralité d’éléments métalliques, une photodiode étant reliée à la suivante par un élément métallique et étant disposée entre deux éléments métalliques,

-le guide diviseur étant en outre configuré pour injecter un faisceau élémentaire dans une photodiode associée et de sorte qu’un retard optique relatif entre deux faisceaux élémentaires à l’arrivée sur la photodiode associée est inférieur à une période dudit signal électromagnétique, l’ensemble métallique et l’ensemble de photodiodes formant une antenne apte à rayonner ledit signal électromagnétique, chaque photodiode constituant une entrée électrique de l’antenne, l’antenne présentant une longueur égale à un multiple de la moitié d’une longueur d’onde centrale calculée à partir de la fréquence centrale.

[0011] Préférentiellement le guide diviseur comprend n guides élémentaires pour propager les n faisceaux élémentaires jusqu’aux photodiodes associées.

[0012] Selon un mode de réalisation le guide diviseur est un guide en étoile.

[0013] Selon un autre mode de réalisation le guide diviseur est un guide par interférence.

[0014] Préférentiellement la longueur de l’antenne est égale à la moitié de la longueur d’onde centrale.

[0015] Selon une variante les éléments métalliques présentent une forme de ligne, l’antenne étant alors de type quasi-dipôle.

[0016] Selon une autre variante l’ensemble métallique est configuré de sorte que l’antenne est de type log-périodique.

[0017] Selon un mode de réalisation l’ensemble métallique est polarisé via une tension continue appliquée aux deux extrémités.

[0018] Selon un mode de réalisation les photodiodes sont disposées en matrice selon une pluralité de lignes parallèles reliées électriquement entre elles par les extrémités.

[0019] Selon un mode de réalisation le dispositif selon l’invention comprend un substrat sur lequel est disposé le guide diviseur, chaque photodiode comprenant une couche active disposée entre une première et une deuxième couche de contact, et étant couplée au guide élémentaire associé via la première couche de contact, un élément métallique disposé entre deux diodes successives reliant électriquement la première couche de contact d’une photodiode à la deuxième couche de contact de la photodiode suivante.

[0020] Préférentiellement le substrat est en InP, le guide diviseur comprend du GalnAs ou du GalnAsP et la couche active comprend du GalnAs ou du GalnAsP.

[0021] La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. [0022] L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :

[0023] [Fig 1] La figure 1 déjà citée illustre un dispositif de génération d’un signal RF avec des photodiodes couplées à des antennes selon l’état de l’art.

[0024] [Fig 2] La figure 2 illustre une antenne dipôle utilisant une photodiode comme entrée électrique.

[0025] [Fig 3] La figure 3 illustre un dispositif optoélectronique selon l’invention.

[0026] [Fig 4] La figure 4 illustre la variation de la demi-longueur d’onde en fonction de la fréquence RF émise pour une photodiode à base d’InP.

[0027] [Fig 5] La figure 5 illustre de manière schématique un dispositif selon l’invention sans compensation géométrique des trajets optiques.

[0028] [Fig 6] La figure 6 illustre une variante de l’invention dans laquelle l’ensemble métallique EM est configuré de sorte que l’antenne est de type log- périodique.

[0029] [Fig 7] La figure 7 illustre un dispositif selon l’invention dans lequel les photodiodes sont disposées en matrice selon une pluralité de lignes parallèles reliées électriquement entre elles par les extrémités.

[0030] [Fig 8] La figure 8 illustre un dispositif selon l’invention à base de photodiodes semiconductrices de type guide sur un substrat, avec un empilement de couches de différents matériaux pour former les guides d’onde optique ainsi que les photo-détecteurs. La figure 8a illustre la vue de dessus (plan XY) tandis que les figures 8b et 8c illustrent les vues de côté, respectivement selon le plan XZ et YZ.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

[0031] Afin de bien comprendre le fonctionnement du dispositif selon l’invention, le fonctionnement d’une antenne dipôle, destinée à émettre ou recevoir de l’énergie électromagnétique, est rappelé. De manière générale une antenne dipolaire est constituée de deux brins métalliques, alimentée électriquement en son milieu (entrée électrique) par une tension alternative en mode émission. Pour une entrée électrique « simple » lorsqu’en entrée on applique un courant alternatif de fréquence RF donnée, l’antenne rayonne un signal à cette même fréquence.

[0032] La figure 2 illustre une antenne dipôle utilisant une photodiode comme entrée électrique. La fréquence d’émission est dénommée FO. L’entrée électrique est constituée d’une photodiode PD alimentée par une onde optique OBin porteuse du signal RF de fréquence FO qui est injectée dans PD via un guide d’onde OW. La longueur totale de la ligne métallique est dénommée /

Pour obtenir une émission plus efficace préférentiellement on choisit / =k.À0/2 avec k entier et lq longueur d'onde calculée à partir de FO en tenant compte de la constante diélectrique relative e _r du substrat sur lequel est réalisé l’antenne, et plus particulièrement de son indice à la fréquence d’émission noté ne, égal à la racine carrée de e _r :

[0033] [Math 1]

[0034] La conséquence du dimensionnement de / est que l’émission sera résonnante pour une bande de fréquence autour de F0.

[0035] Une antenne dipôle telle qu’illustrée figure 2 alimentée par une photodiode présente l’inconvénient d’une émission avec une bande de fréquence très étroite autour de la fréquence de résonnance F0. Une solution connue est de remplacer la structure filaire des éléments ML1 et ML2 par une structure à base de triangles permettant de faire varier les dimensions de l’élément rayonnant et ainsi d’augmenter la bande de fréquence. Une telle antenne est dénommée antenne en nœud papillon («bowtie antenna» en anglais).

[0036] Le dispositif optoélectronique 10 selon l’invention pour générer et rayonner un signal électromagnétique S est illustré figure 3. Le signal S présente au moins une fréquence F0 dénommée fréquence centrale, comprise entre 30GHz et 1THz (signal communément dénommé RF). L’idée de base est d’associer n photodiodes semi-conductrices unitaires en série, injectées par une source optique dont la puissance est divisée en N sorties. Les n photodiodes sont interconnectées électriquement pour former une antenne qui émet la puissance RF.

[0037] Pour cela le dispositif selon l’invention comprend un guide diviseur SW configuré pour diviser, dans un plan XY, un faisceau optique d’entrée OB porteur du signal électromagnétique S en n faisceaux élémentaires. Il n’est pas nécessaire que les puissances respectives de chaque faisceau soient identiques.

[0038] Selon un mode de réalisation le guide SW est un guide optique passif. Selon un autre mode de réalisation le guide SW est actif, typiquement à base de couches semiconductrices avec du gain optique.

[0039] Le faisceau OB est couplé en entrée du guide SW. Selon un mode de réalisation le faisceau optique d’entrée OB est un signal optique typiquement modulé en amplitude avec le signal S. Selon un autre mode de réalisation le faisceau optique est constitué du battement hétérodyne entre une onde optique 01 (longueur d’onde A1 , fréquence optique f1) et une deuxième onde optique 02 (longueur d’onde A2, fréquence optique f2). On dénomme battement hétérodyne la différence de fréquence optique f1-f2 à une fréquence hyper F. Les ondes optiques présentent typiquement une longueur d’onde comprise entre 400 nm et 10 miti, et préférentiellement entre 1.2pm et 7 miti. Les longueurs d’onde A1 et A2 sont très proches. Par exemple pour F = 1 TFIz et A1 = 1.50 miti, on a A2= 1.508 miti. Le signal OB est issu d’une source unique (non représentée).

[0040] Le dispositif 10 comprend également un ensemble de n photodiodes PDi, i indice allant de 1 à n, comprenant un matériau semi-conducteur, disposées sur au moins une ligne. Les photodiodes d’une ligne sont reliées électriquement entre elles en série par un ensemble métallique ME planaire comprenant une pluralité d’éléments métalliques Mele. Une photodiode est reliée à la suivante par un élément métallique et est disposée entre deux éléments métalliques. Typiquement pour n photodiodes on a n-1 éléments métalliques entre les photodiodes et deux éléments aux extrémités, soit n+1 éléments en tout.

[0041] Le guide diviseur SW est configuré pour injecter un faisceau élémentaire Obi dans une photodiode associée PDi et de sorte que les trajets optiques respectifs de chacun des faisceaux élémentaires jusqu’à la photodiode associée sont sensiblement identiques, c’est-à-dire que le retard optique relatif entre deux faisceaux élémentaires à l’arrivée sur la photodiode associée est faible par rapport à la période 1/FO du signal de fréquence FO, c’est à dire au moins inférieur à 1/FO.

[0042] Préférentiellement le retard optique relatif entre deux faisceaux élémentaires à l’arrivée sur la photodiode associée est inférieur à 1/4. FO.

[0043] Comme illustré figure 3 on entend par trajet optique le trajet OPi qui commence au point de séparation O et se termine sur la photodiode PDi. Pour un guide diviseur constitué d’un matériau homogène, les trajets optiques sont identiques si les longueurs des trajets OPi sont identiques.

[0044] Préférentiellement le guide diviseur comprend n guides élémentaires EWi pour propager les n faisceaux élémentaires OBi jusqu’aux photodiodes associées.

[0045] L’égalité des trajets optiques peut également être obtenue en modifiant localement l’indice de réfraction des différents guides élémentaires.

[0046] Du fait de cette condition les faisceaux optiques arrivent sur les photodiodes associées avec un retard identique, ce qui a pour conséquence que les ondes RF générées par chacune des photodiodes sont en phase, permettant une superposition cohérente de ces ondes.

[0047] En dehors des pertes de couplage en entrée et des pertes de propagation dans le guide SW, on bénéficie du bon rendement électro-optique des photodiodes, avec une puissance démultipliée par le nombre de photodiodes.

[0048] La combinaison de l’ensemble métallique ME et de l’ensemble de photodiodes forme une antenne Ant unique apte à rayonner ledit signal électromagnétique S. Chaque photodiode constitue une entrée électrique de l’antenne. L’antenne présente une longueur L0 correspondant à un multiple de la moitié d’une longueur d’onde centrale lq calculée à partir de la fréquence centrale F0 tel qu’expliqué plus haut. Le premier optimum pour L0 est une dimension sensiblement égale à lO/2. Ainsi les éléments métalliques Mele présentent chacun une dimension très inférieure à lO/2. La dimension globale de l’antenne Ant selon l’invention est beaucoup plus faible que celle décrite dans la publication de Shimizu précitée. [0049] La connexion en série des photodiodes conduit à un comportement de l’antenne Ant différent de celui d’une juxtaposition d’antennes indépendantes comme décrit dans Shimizu. La continuité électrique fait que l’on a une seule antenne et non pas un ensemble de petites antennes sub-À/2 dipolaires dont l’efficacité de rayonnement est dégradée. En outre un seul émetteur réalise une émission RF sur un lobe unique.

[0050] Dans la variante la plus simple les éléments métalliques présentent une forme de ligne, l’antenne Ant étant alors la mise en série de petits dipôles dont la partie centrale est une photodiode. L’antenne est alors de type quasi- dipôle : les photodiodes sont combinées pour former un émetteur qui ressemble à un dipôle. Le comportement émissif est celui d’un dipôle car il n’y a qu’un seul élément rayonnant, alors que la structure comporte plusieurs entrées électriques et non pas une seule.

[0051] L’émission effectuée par une antenne unique de dimension sensiblement égale à lO/2 ou à un multiple de lO/2 permet d’obtenir une efficacité de rayonnement RF bien supérieure à celle d’une juxtaposition de n petits dipôles indépendants. En effet chaque petit dipôle présente une faible efficacité de rayonnement avec une impédance élevée et une faible directivité. Sans continuité électrique entre ces petits dipôles, leur juxtaposition présente un comportement qui ne peut pas se rapprocher de celui d’un dipôle ayant la dimension de la juxtaposition globale. Sans continuité électrique on conserve donc une faible efficacité de rayonnement.

[0052] La condition sur la longueur L0 permet l’obtention d’une émission à la fréquence souhaitée F0 avec une plus grande efficacité. Pour obtenir une antenne présentant la plus petite dimension possible on choisit L0=À0/2.

[0053] La figure 4 illustre la variation de la demi-longueur d’onde lO/2 en fonction de la fréquence RF émise F0 dans le cas d’une couche active de la photodiode à base d’InP, matériau typique pour réaliser les photodiodes pour la RF. L’indice ne est sensiblement égal à 3.5.

[0054] Selon un mode de réalisation le guide diviseur est un guide optique passif en étoile ou « star coupler » en anglais.

[0055] Selon un autre mode de réalisation le guide diviseur est un guide/coupleur par interférence multimode. Ce type de coupleur utilise les interférences venant des réflexions sur les parois d’un guide large, multimode, pour diviser la puissance d’un faisceau optique incident. Pour cela les sorties du dispositif sont positionnées sur les noeuds des interférences spatiales générées. Ce type de diviseur permet une séparation bien équilibrée du faisceau vers les différentes sorties et présente une architecture compacte.

[0056] La figure 5 illustre de manière schématique un dispositif selon l’invention sans compensation géométrique des trajets optiques (c’est-à-dire égalisation de la longueur des trajets), cette compensation étant réalisée par exemple via une modification locale de l’indice de réfraction de chaque guide élémentaire EWi ou via l’utilisation d’un coupleur par interférence.

[0057] Les antennes de type dipôles ou quasi dipôle présentent l’inconvénient d’être très résonnantes ce qui limite la bande passante de ce type de solution.

[0058] Selon une variante illustrée figure 6 l’ensemble métallique EM est configuré de sorte que l’antenne Ant est de type log-périodique. Les éléments métalliques présentent une forme et sont agencés pour former un design d’antenne log-périodique. Le principe de ce design est bien connu de l’homme de l’art. La géométrie des éléments Mele permet à l’antenne Ant d’émettre selon plusieurs fréquences associées à différentes longueurs notées L0, L1 et L2 sur la figure 6.

[0059] Selon un mode de réalisation le dispositif 10 fonctionne sans être polarisé électriquement, il fonctionne alors en mode photovoltaïque.

[0060] Selon un autre mode de réalisation l’ensemble métallique est polarisé via une tension continue appliquée aux deux extrémités. On dispose pour cela une électrode à chaque extrémité (voir plus loin figure 7: E1, E2 et figure 8:PAD-N et PAD-P) de la ligne formée par l’ensemble métallique, séparée de celui-ci par un élément (voir figures 7 et 8: Ind) qui empêche les fuites de l’onde haute fréquence, typiquement un élément de type self telle une inductance. Il est connu que la polarisation de l’antenne augmente la puissance émise en assurant un meilleur rendement de conversion de chaque photodiode.

[0061] Selon un mode de réalisation illustré figure 7 les photodiodes PD sont disposées en matrice selon une pluralité de lignes parallèles reliées électriquement entre elles par les extrémités. L’antenne Ant est alors constituée d’un ensemble d’éléments métalliques préférentiellement reliés entre eux avec un élément de type self pour éviter les fuites RF. Dans l’exemple de la figure 7 le dispositif est polarisé via les électrodes E1 et E2.

[0062] La figure 8 illustre un exemple de réalisation du dispositif selon l’invention. On utilise une technologie de réalisation de photodiodes de type guide sur un substrat, avec un empilement de couches de différents matériaux pour former les guides d’onde optique ainsi que les photo-détecteurs. La figure 8a illustre la vue de dessus (plan XY) tandis que les figures 8b et 8c illustrent les vues de côté, respectivement selon le plan XZ et YZ.

[0063] Le dispositif 10 illustré figure 8 comprend un substrat S sur lequel est disposé le guide diviseur SW. Chaque photodiode semi conductrice PDi comprend une couche active AL disposée entre une première couche de contact LN et une deuxième couche de contact LP et est typiquement couplée au guide élémentaire associé EWi via la première couche de contact LN, comme illustré figure 8b.

[0064] Un élément métallique Mele disposé entre deux diodes successives relie électriquement la première couche de contact LNi de la photodiode PDi à la deuxième couche de contact LPi+1 de la photodiode suivante PDi+1 , comme illustré figure 8c.

[0065] Les deux éléments métalliques des extrémités sont chacun relié à une électrode, respectivement PAD-N et PAD-P, et entre l’électrode et l’élément métallique on dispose un composant inductif métallique Ind.

[0066] Selon un mode de réalisation le substrat est en InP, le guide diviseur comprend du GalnAs ou du GalnAsP et la couche active comprend du GalnAs ou du GalnAsP. La couche LN est par exemple en InP ou en GalnAsP, et la couche LP en InP, en GalnAs ou en GalnAsP.