38
1 Mesure vectorielle de champs électriques microondes et de température par transducteurs électro-optiques fibrés Maxime BERNIER

Maxime BERNIER

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Mesure vectorielle de champs électriques microondes et de température par transducteurs électro-optiques fibrés. Maxime BERNIER. Espace libre. CEM. Contexte. Mesure haute fréquence (GHz). Microélectronique. Mesure en champ proche (caractérisation d’antennes ou MMIC) - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Maxime BERNIER

1

Mesure vectorielle de champs électriques

microondes et de température par

transducteurs électro-optiques fibrés

Maxime BERNIER

Page 2: Maxime BERNIER

2

Mesure en champ proche (caractérisation d’antennes ou MMIC)

Compatibilité électromagnétique (CEM)

Caractérisation d’impulsions électromagnétiques• Monocoups• Fort niveau

Contexte

Mesure haute fréquence (GHz)

CEM Espace libreMicroélectronique

Page 3: Maxime BERNIER

3

I. Introduction

II. Les sondes électro-optiques

III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique

IV. Système de compensation

V. Résultats

VI. Conclusion & perspectives

I. Introduction

II. Les sondes électro-optiques

III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique

IV. Système de compensation

V. Résultats

VI. Conclusion & perspectives

Sommaire

Page 4: Maxime BERNIER

4

Mesure de signaux monocoups

Bonne sensibilité

Gain en petit signal (AF-

1)

Réponse linéaire

Faible perturbation induite

Bonne résolution spatiale

Grande résolution temporelle

Large bande

Introduction

Mesure vectorielle

Cartographie

Mesure de champs de faible niveau

Mesure en champ proche

Grande sélectivité

Compromis !!

Caractéristiques nécessaires :

Page 5: Maxime BERNIER

5

• Effet EO : Pockels

Pd

t

(f)

• Thermographie infra-rouge

• Antenne redressée

• Electro-absorption

• Thermographie infra-rouge

• Electro-absorption

• Antennes redressées

Techniques de mesure

a. Mesure de puissance : mesure quadratique• Bolomètres & calorimètres

Perte de l’information spectrale !!

b. Mesure de champ : mesure linéaire

• AntennesBonnes sensibilité et dynamique

Forte perturbation induite

Faible résolution spatiale

Sensibilité médiocre

Faible perturbation induite

Très bonne résolution spatiale

Absorbeur

Thermomètre

Cryostat ou thermostat

Électronique de détection

CthRthRth

E

Systèmed’acquisition etde traitement

Film photothermique

Caméra infra rouge

Semi conducteur(E)

I

Page 6: Maxime BERNIER

6

Sommaire

I. Contexte & introduction

II. Les sondes électro-optiques1. Principe

2. Design de la sonde

3. Point de fonctionnement et performances

III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique

IV. Système de compensation

V. Résultats

VI. Conclusion & perspectives

Page 7: Maxime BERNIER

7 2

14 2

1 sin1

ampI

R Ln E

R

Interféromètre de Fabry-Pérot

0

1 21 cos

2phase EO

LI n E

Interféromètre de Fabry-Pérot Modulation d’état de polarisation Modulation d’état de polarisation

Principe de la mesure1. Principe :

I

Interféromètre à 2 ondes

Les différents dispositifs :

n(E)

Cristal EO (partie active)Modulation de la longueuroptique du cristal par effet

Pockels

E n E

PhotodiodeBanc optique

n E I

Appareil hyperfréquence :

Analyseur de spectre Oscilloscope

i EI

v E

Cristal EOn=n0+dn(E)

Iphase(E)

L

Eopt

E

Cavité Fabry-Pérot

Iamp(E)

L

Page 8: Maxime BERNIER

8

Caractéristiques des sondes EO

Interféromètre à 2 ondes

Modulation d’état de polarisation

??

I

Point de fonctionnement :

Gain en petit signal :

Dynamique :

Point de fonctionnement :

Gain en petit signal :

Dynamique :

Point de fonctionnement :

3I0/41dB

I

0 2

Phase

n ELG E

E

0

0

( ) 10 log 1,2Phase

ID dB

I I

( ) ( ) 11

Amp PhaseD dB D dB

0,41Amp Phase

G E F G Dépend de EO

n E

Meilleurs gain et

sensibilité

Point d’inflexion (75% de I0)

Point d’inflexion ( )

Interféromètre de Fabry-Pérot

Dépend de la sonde EO

Page 9: Maxime BERNIER

9

Polarisation linéaire :

• =0

Polarisation circulaire:

• E0x=E0y

• 90°

Définition des états de polarisation

L’état de polarisation :

Polarisation linéaire Polarisation circulaire

k

Orientation etellipticité (=b/a) dépendent de E0x, E0y

et

Polarisation elliptique

k k

b

a

Page 10: Maxime BERNIER

10

Modulation d’état de poarisation

Faisceau sonde incident

L

EO crystal

Faisceau sonde sortant

n0

t

I

Effet Pockels

dépend de :

Polarisation incidente

Puissance optique incidente

2eff

E E

Ln

0n

0 En n n

0 E

0 0

2eff

Ln

Design de la sonde

I1 et I2

Page 11: Maxime BERNIER

11

Fibre à maintiende polarisation

Tube de verre

Férule Lentille GRIN

Cristal EO

Fibre à maintiende polarisation

Tube de verre

Férule Lentille GRIN

Cristal EO

• Polarisation circulaire

Fibre à maintiende polarisation

Férule

Cristal EO

Fibre à maintiende polarisation

Férule

Cristal EO

Fibre à maintiende polarisation

Férule

Cristal EO

Fibre à maintien de polarisation

Polarisation incidente rectiligne

• Polarisation à 45° des axes du cristal

Sondes électro-optiques2. Sonde réalisée :

Performances optimalesLame quart d’onde

Puissance optique de retour maximale

Lentille GRIN

Configuration en réflexion

y

x

45°

Axes diélectriques de lalame et du cristal

CristalEO

Lame quartd’onde

LentilleGRIN

Férule

Axes diélectriquesde la FMP

Page 12: Maxime BERNIER

12

Isolateur

Polariseur

Sonde EO

Prisme deWollaston

Lame demi-onde

PD

1

Lame demi-onde

PD

2

Point de fonctionnement

Polarisation rectiligne

00

2

2

eff

EO

eff

E

Ln

LK E

0

1

0

2

1 cos22

1 cos22

II

II

Puissances optiques :

avec 0 E

†" Electro-optic sensors for electric field measurements. ii choice of the crystals and complete optimization of their orientation", L. Duvillaret et al., J. Opt. Soc. Am. B 18, p. 1092-1098, (2001)

Page 13: Maxime BERNIER

13

Performances

20

1 0 02

1 2 sin 2 1 2 cos22 E E

II

0 4 2

Réponse linéaire

• Mesure vectorielle

• Linéaire

• Gain maximal

I1= I2

0

4Phase

LG I K G

( ) ( )Phase

D dB D dBpour E = 0

= 1

0

12

41

2eff

LII K E

0E

0 4 2

Au point de fonctionnement :

Page 14: Maxime BERNIER

14

Sommaire

I. Introduction & contexte

II. Les sondes électro-optiques

III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique1. Effet Fabry-Pérot

2. Dérive du point de fonctionnement

IV. Système de compensation

V. Résultats

VI. Conclusion & perspectives

Page 15: Maxime BERNIER

15

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

7,798 7,8 7,802 7,804 7,806 7,808

Mesure

Ajustement sinusoidalPui

ssan

ce o

ptiq

ue r

éfle

chie

nor

mal

isée

Temps (s.)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

7,8 7,9 8 8,1 8,2 8,3

Mesure

Ajustement sinusoidal

Puis

sanc

e op

tique

réf

léch

ie n

orm

alis

ée

Temps (s.)

1. Effet Fabry-Pérot parasite :

Cavités Fabry-Pérot parasites

n T

0

4 LG T I T K

0

opt

T

L T

Fibre à maintiende polarisation

Tube de verre

Férule Lentille GRIN

Cristal EO

Variation de température

Origine des instabilités :

R

R

optL T 0

I T

lase

r

ConnecteurFC/PC

PD1

PD2

Module Peltier

GBF

(t)

Modulation rapide

Modulation lente Cavité courte

Cavité longue

Page 16: Maxime BERNIER

16

Férule polie à 8° :

Taux de modulation lente /10

Connecteur FC/APC :

Taux de modulation rapide /100

Suppression des effets de cavitéSolution :

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Férule non polie

Férule polie à 8°

Pui

ssan

ce o

ptiq

ue n

orm

alis

ée

Temps (s.)

Férule polie

Cœurcontrain

t

Gaine

Férule ConnecteurAPC

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1,00

1,01

1,02

0 50 100 150 200 250

FC/PC : MesureFC/APC : Mesure

Pui

ssan

ce o

ptiq

ue n

orm

alis

ée

Temps (ms)

Page 17: Maxime BERNIER

17

2. Dérive du point de fonctionnement :

Stabilité de la réponse électro-optique

EO EOn T 0 4EO

T

• Perte de linéarité

0 0sin 2 ( )

EO EOG T G T

0 0( ) sin 2 ( )

EO EOD T D T

1 2I I

Il faut compenser en temps réel la dérive !!

0 EOT

1 2I I

0

4

( ) 4EO

LT n T

t

Pas de compensation des dérives rapides de température (> 0.05 Hz) !!

Solution : Compensation des dérives lentes par contrôle de la longueur d’onde

Problème :

Filtrage

, EOE T

0 EOT

E E

Page 18: Maxime BERNIER

18

Sommaire

I. Introduction & contexte

II. Les sondes électro-optiques

III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique

IV. Système de compensation 1. Principe

2. Le système d’asservissement

V. Résultats

VI. Conclusion & perspectives

Page 19: Maxime BERNIER

19

Solution alternative

État de polarisation

) et Modulation rapide (E)

Modulation lente (FMP)

Mesure de E

Instabilité

G((TEO), (TFMP))

On doit compenser les dérives liées aux variations des températures de la fibre (TFMP) et du cristal EO

(TEO)

1. On doit connaître (TEO) et (TFMP)

2. Définir le point de fonctionnement optimal

3. Stabiliser le point de fonctionnement

Page 20: Maxime BERNIER

20

Lame quartd’onde (1)

Lame quartd’onde (2)

Prisme deWollaston

Lame demi-onde

2

4

2 4

0 2

sin 22 arctan

tan 4 2

sgn8 4

4

2 22 4 4

cos 2arctan

tan 4 2 sin 2

0

0

,

,b

a

Calculs des déphasages relatifs

Compensation des dérives d’état de polarisation

Lame demi-onde (/2) : compensation de

Lame quart d’onde (/4) : compensation de

+

Polarisation rectiligne orientée

à 45°

I1 = I2

/2

I3 = I4

avec

† "Vectorial measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes", M. Bernier et al., Applied Optics 47 (2008).

0

a

b

Page 21: Maxime BERNIER

21

État de polarisation stable ≠ Réponse EO stable !!

Compensation de l’état de polarisation

0

2 4

2 4

,

,

Température du cristal

Température de la fibre

I3= I4

I1= I2

Polarisation rectiligne orientée

à 45°

+

Lame quartd’onde (1)

Lame quartd’onde (2)

Prisme deWollaston

Page 22: Maxime BERNIER

22

°Signal EO (dBm)

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 100 200 300 400 500

Tps (s.)

(°)

-110

-105

-100

-95

-90

-85

-80

-75

-70

dBm

theta-alpha (°)signal EO (dBm)

25

Tsonde=50°C °Signal EO (dBm)

Tsonde= 50°C

Temps (s.)

Pui

ssan

ce (

dBm

)

Dép

hasa

ge (

°)

-150

-100

-50

0

50

100

150

150 250 350 450 550 650

Tps (s.)

(°)

-100

-95

-90

-85

-80

-75

-70

dBm

Tsonde= 40°C °Signal EO (dBm)

8

Temps (s.)

Puis

sanc

e (d

Bm

)

Dép

hasa

ge (

°)

Lames motorisées

PD3 PD4

PD

1

Moteur n°1

Moteur n°2

Etuve (T)

PD

2

Analyseur despectre

Signal CW connu

-150

-100

-50

0

50

100

150

150 250 350 450 550 650 750

Tps (s.)

(°)

-95

-90

-85

-80

-75

-70

dBm

theta (°)signal EO (dBm)

Tsonde= 30°C °Signal EO (dBm)

15

Dép

hasa

ge (

°)

Temps (s.)

Pui

ssan

ce (

dBm

)

Contrôle de longueur d’onde :

22 0FMP

FMP

Ln T

t

Recherche du point de fonctionnement

2

4

2 4

sin 22 arctan

tan 4 2

2G

2t

Asservissement des orientations

des lames

4

t

2

t

+

Page 23: Maxime BERNIER

23

PD1PD2PD3PD4PD5

IN / OUT

P0

Lames motorisées

Système dedétection

PD

5

PD3 PD4

PD

1

PD2

Contrôle depuissance

Module Peltier

Caisson faradisé (isolation=90dB)

D

iodelaser D

FB

Système d’asservissementet d’aqcuisition

in

out

in

Photodioderapide

Amplihyper

EDFA IN

OUT

Moteur n°1

Moteur n°2

2. Le système d’asservissement :

Système de compensation

Le banc optique asservi :

État de polarisation en

entrée de sonde

Sonde fibrée avec férule polie à 8°

I1=I2+

I3=I4

0

2

Système d’asservissement

numérique

Détection, amplification et

blindage

Page 24: Maxime BERNIER

24

Système d’asservissement

Rechercher unepolarisation à 45°

Rechercher unepolarisation rectiligne

Conditions initiales :Puissance optique,longueur d’onde

Asservir moteurn°1

Asservir moteurn°2

Asservir longueurd’onde

Asservir puissanceoptique

Problèmes

4 paramètres d’asservissement :

• Orientation de la lame quart d’onde (/4)

• Orientation de la lame demi-onde (/2)• Longueur d’onde d’émission ()• Puissance optique (Popt)

4 boucles d’asservissement «Proportionnel-

Intégrateur»

Page 25: Maxime BERNIER

25

Sommaire

I. Introduction & contexte

II. Les sondes électro-optiques

III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique

IV. Système de compensation

V. Résultats1. Mesure de champ électrique (Impulsionnel et CW)

2. Mesure de température

VI. Conclusion & perspectives

Page 26: Maxime BERNIER

26

Mesure de MFP sans compensation

0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14tempsµs

0.1

0

0.1

0.2

EV

0.145 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17tempsµs

0.05

0

0.05

0.1

EV

Temps (s)

Début del’impulsion

Début del’impulsion

a)

b)

-0,1

0,1

0,2

-0,05

0,1

0

E (

u. a

.)E

(u.

a.)

0

0,05

0,115 0,12 0,125 0,13 0,135 0,14

0,155 0,15 0,155 0,16 0,165 0,17

platine derotation

sondeEO

Antenne deréférence

Source impulsionnelle(SINUS 500)

Absorbanthyperfréquence

Source impulsionnelle monocoup ou salve :

• Porteuse à 9 GHz• Polarisation rectiligne

• Antenne guide d’onde (9 GHz)• Sonde EO avec férule non polie

Mesure fidèle

t

E(t)

20 ns

3 ns

800 kV.m-1

Page 27: Maxime BERNIER

27

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

150 200 250 300 350 400 450 500 550

Amplitude rms signal EO normaliséAjustement sinusoidal

Am

plitu

de r

ms

sign

al E

O n

orm

alis

é

Orientation de la sonde EO (°)

Résultats

Sélectivité > 20 dB

0

4I LK E

I

-60

-50

-40

-30

-20

-10

-60

-50

-40

-30

-20

6 7 8 9 10

reference antenna EO probe perpEO probe //

Am

pli

tud

e d

u s

ign

al d

e ré

fére

nce

(d

B)

Am

plitu

de d

u sig

nal E

O (d

B)

Fréquence (GHz)

Signal de référenceSonde alignée avec le champSonde à 90° du champ

Sele

ctiv

ité

Emin 24 kV.m-1

Conditions expérimentales : • T 10 C°/ heure• 20 mètres de fibre

0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14tempsµs

0.1

0

0.1

0.2

EV

0.145 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17tempsµs

0.05

0

0.05

0.1

EV

Temps (s)

Début del’impulsion

Début del’impulsion

a)

b)

-0,1

0,1

0,2

-0,05

0,1

0

E (u

. a.)

E (u

. a.)

0

0,05

0,115 0,12 0,125 0,13 0,135 0,14

0,155 0,15 0,155 0,16 0,165 0,17

dB

TF

Sensibilité 0,7 V.m-

1.Hz-1/2

Page 28: Maxime BERNIER

28

-100

-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

0 200 400 600 800 1000

Sans asservissement

Sig

nal E

O (

dB)

Temps (s)

4 points de contrôle2 points de contrôle

Mesure de signal CW avec compensation

Analyseur de spectre

Banc optique asservi

3 GHz -4 dBm

Signal EO

Analyseur de spectre

Signal hyperfréquence

Source Hyperfréquence

RFout

RFout

RFin

Chambre anéchoïque

SondeEO polie

Antenneémettrice

Coupleur

Caisson faradisé

Etuve

Thermocouple

• Signal CW à 2.9 GHz

Conditions expérimentales :• T = 15°C/1000 secondes• LFMP=3 mètres

T8°C/heure pour 20 mètres

de fibre

Fluctuation du signal EO 0,2 dB sur 1000 secondes

Page 29: Maxime BERNIER

29

Mesure de température : principe

Sur une plage restreinte de température (quelques dizaines de °C)

0

0

EO

EO EO

FMP

FMP FMP

nn T n T T

Tn

n T n T TT

40 2,

EO

FMP

T t t t

T t t

Mesure des variations relatives de

température du cristal EO et de la FMP

Page 30: Maxime BERNIER

30

2. Banc de mesure :

Mesure de température du cristal EO

Banc optique asservi

Caisson faradisé

Etuve(T)

Thermocouple

Asservissement des 4paramètres

Système d’asservissement :• Contrôle et acquisition des quatre paramètres• Acquisition de la température du thermocouple

Protocole expérimental :

Tini50°C Thermalisation de Tetuve

Acquisition simultanée de /2(t), /4(t) et (t) et Tetuve(t)

Page 31: Maxime BERNIER

31

25

30

35

40

45

50

55

60

65

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

0 500 1000 1500 2000 2500

Thermocouple

Ajustement théoriqueT

EO(

0)

Tem

péra

ture

du

cris

tal E

O (

C°) D

ifférence de phase

(°)

Temps (s.)

Ajustement théorique :

0 0 0

4

EO

EO

T TnL T

etuve

t

th fin ini finT t T T T e At

55,35.10 EOn

TK-1

Résultats : Mesure de température

0 2

4

2 22 4 4

sgn8 4

cos 2arctan

tan 4 2 sin 2

Calcul de † :

† "Vectorial measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes", M. Bernier et al., Applied Optics 47 (2008).

Page 32: Maxime BERNIER

32

Mesure de température : validation

Polariseur

Analyseur

Cristal EO

PhotodiodeAxes croisés du polariseur

et de l’analyseur

Axe propre ducristal EO

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0 500 1000 1500 2000 2500

Pui

ssan

ce o

ptiq

ue n

orm

alis

ée

Temps (s.)

Modulation thermique d’état de

polarisation

55,8 0,67 .10

EOn nb

T T LK-1

Page 33: Maxime BERNIER

33

25

30

35

40

45

50

55

60

65

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

0 500 1000 1500 2000 2500

Thermocouple

Ajustement théoriqueT

EO(

0)

Tem

péra

ture

du

cris

tal E

O (

C°) D

ifférence de phase

(°)

Temps (s.)

Performances

Performances • Mesure relative • Précision de mesure : 0,04 K• Dérive de température mesurable :~ 50 mK.s-1 soit 3°C/min

-100

-50

0

50

100

150

200

0 500 1000 1500 2000

lame quart d'ondelame demi-onde

Ori

enta

tion

s (°

)

Temps (s)

-2160

-1800

-1440

-1080

-720

-360

0

0 500 1000 1500 2000

Temps (s)

EOn

T

Page 34: Maxime BERNIER

34

Banc optique asservi

Caisson faradisé

Etuve(T)

Thermocouple

25

30

35

40

45

1551

1551,5

1552

1552,5

1553

1553,5

1554

0 200 400 600 800 1000

ThermocoupleAjustement théoriqueT( )Longueur d'onde

Tem

péra

ture

de

la f

ibre

nm

Temps (s.)

02

FMP FMP

L l n l n tt

t

l = 2,9 mètres

0FMP

ini amb

FMP

n tLT t T T

l n T t

Mesure de température de la FMP

Page 35: Maxime BERNIER

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Sommaire

I. Introduction & contexte

II. Les sondes électro-optiques

III. Problème de stabilité de la réponse électro-optique

IV. Système de compensation

V. Résultats

VI. Conclusion & perspectives

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Conclusion & perspectives

Sonde compacte Fibrée Férule polie à 8° : stabilité Usinée Entièrement diélectrique

Sonde réalisée :

PhotodiodesPD3 et PD4

PhotodiodesPD1 et PD2

Lames quartd’onde et demi-onde motorisées

Prismes deWollaston

PhotodiodePD5

Isolateur deFaraday

Lame quartd’onde

Sonde EOfibrée

Lame demi-d’onde

Cubesséparateurs

Banc optique : asservi numériquement Recherche du point de fonctionnement Suivi du point de fonctionnement Acquisition des données en température et état du système

Banc optique

Caisson faradisé

Système dedétection

Systèmed’asservissement

Transducteur EO :

Transportable (A3) Blindé Entièrement automatisé

Performances du transducteur EO

Mesure déportée stable et fiable (asservissement) :

• fluctuation 0,2 dB pendant 1000 s (conditions expérimentales difficiles)

Bande passante : ~10 Hz - 16 GHz Résolution spatiale : ~ 100 m Mesure signaux monocoups et CW Sélectivité : ~ 20 dB (mesure vectorielle) Mesure de la température du cristal :

• précision : 0,04 K• variation temporelle mesurable : 0,05 mK/s

Mesure de la température de la fibre• variation temporelle mesurable : 0,03 mK.m/s

Sensibilité 0,7 V.m-1.Hz-1/2

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Conclusion & perspectives

Système adapté à la caractérisation vectorielle de champs hyperfréquences de

forte puissance

Applications militaires

Hautes tensions

Bioélectromagnétisme (E+T)

Plus d’applications si mesures 2 axes et meilleure sensibilité !!

Sonde EO basée sur la modulation d’amplitude (Thèse d’Adriana

Warzecha)

Sonde EO pour la mesure simultanée de deux composantes du champ électrique (sonde

non fibrée)†

† "Vectorial electric field measurement using isotropic electro-optic crystals", G. Gaborit et al., Appl. Phys. Lett. 90, (2007)

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MERCI