Post on 02-Jan-2016
description
1
Mesure vectorielle de champs électriques
microondes et de température par
transducteurs électro-optiques fibrés
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
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
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 :
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
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
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
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
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
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
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
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)
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 :
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
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
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)
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
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
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
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
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
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
+
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
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»
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
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
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
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
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
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)
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).
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
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
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
35
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
36
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
37
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)