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

Contexte Mesure haute fréquence (GHz) Microélectronique Espace libre CEM Microélectronique Mesure en champ proche (caractérisation d’antennes ou MMIC) Compatibilité électromagnétique (CEM) Caractérisation d’impulsions électromagnétiques Monocoups Fort niveau

Sommaire Introduction Les sondes électro-optiques Problème de stabilité de la réponse électro-optique Système de compensation Résultats Conclusion & perspectives Introduction Les sondes électro-optiques Problème de stabilité de la réponse électro-optique Système de compensation Résultats Conclusion & perspectives

Introduction Compromis !! Caractéristiques nécessaires : Grande sélectivité Mesure vectorielle Large bande Mesure de signaux monocoups Grande résolution temporelle Bonne résolution spatiale Cartographie Bonne sensibilité Mesure de champs de faible niveau Gain en petit signal (AF-1) Faible perturbation induite Mesure en champ proche Réponse linéaire Compromis !!

Techniques de mesure Mesure de puissance : mesure quadratique E Perte de l’information spectrale !! Bolomètres & calorimètres dI Thermographie infra-rouge Thermographie infra-rouge Antenne redressée Antennes redressées Electro-absorption Electro-absorption Mesure de champ : mesure linéaire Bonnes sensibilité et dynamique Forte perturbation induite Faible résolution spatiale Antennes Sensibilité médiocre Faible perturbation induite Très bonne résolution spatiale Effet EO : Pockels

Sommaire Contexte & introduction Les sondes électro-optiques Principe Design de la sonde Point de fonctionnement et performances Problème de stabilité de la réponse électro-optique Système de compensation Résultats Conclusion & perspectives

Principe de la mesure Principe : dn(E) dI Les différents dispositifs : Interféromètre à 2 ondes Interféromètre de Fabry-Pérot Interféromètre de Fabry-Pérot Modulation d’état de polarisation Modulation d’état de polarisation

Caractéristiques des sondes EO Interféromètre à 2 ondes Interféromètre de Fabry-Pérot Modulation d’état de polarisation I I 1dB 3I0/4 ?? Dj(E) u Point de fonctionnement : Point de fonctionnement : Point de fonctionnement : Point d’inflexion ( ) Point d’inflexion (75% de I0) Dépend de la sonde EO Gain en petit signal : Gain en petit signal : Dépend de Dynamique : Dynamique : Meilleurs gain et sensibilité

Définition des états de polarisation L’état de polarisation : Polarisation linéaire Orientation Y et ellipticité x (=b/a) dépendent de E0x, E0y et Dj Polarisation elliptique k Polarisation circulaire a k k b Y Polarisation circulaire: E0x=E0y Dj=90° Polarisation linéaire : Dj=0

Modulation d’état de poarisation EO crystal I Dn0 t L Faisceau sonde sortant Faisceau sonde incident I1 et I2 Effet Pockels dI dI dépend de : Polarisation incidente Puissance optique incidente Design de la sonde

Sondes électro-optiques Sonde réalisée : Fibre à maintien de polarisation Polarisation incidente rectiligne Configuration en réflexion Polarisation à 45° des axes du cristal Performances optimales Polarisation circulaire Lame quart d’onde Puissance optique de retour maximale Lentille GRIN

Point de fonctionnement Polarisation rectiligne Puissances optiques : avec † †" 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)

Au point de fonctionnement : Performances = 1 Réponse linéaire Au point de fonctionnement : Mesure vectorielle Linéaire Gain maximal pour E = 0 I1= I2

Sommaire Introduction & contexte Les sondes électro-optiques Problème de stabilité de la réponse électro-optique Effet Fabry-Pérot Dérive du point de fonctionnement Système de compensation Résultats Conclusion & perspectives

Cavités Fabry-Pérot parasites Origine des instabilités : Variation de température Effet Fabry-Pérot parasite : R R Modulation rapide Modulation lente Cavité courte Cavité longue

Suppression des effets de cavité Solution : Férule polie à 8° :  Taux de modulation lente /10 Connecteur FC/APC :  Taux de modulation rapide /100

Stabilité de la réponse électro-optique Dérive du point de fonctionnement : Perte de linéarité Il faut compenser en temps réel la dérive !! Problème : Filtrage Solution : Compensation des dérives lentes par contrôle de la longueur d’onde Pas de compensation des dérives rapides de température (> 0.05 Hz) !!

Sommaire Introduction & contexte Les sondes électro-optiques Problème de stabilité de la réponse électro-optique Système de compensation Principe Le système d’asservissement Résultats Conclusion & perspectives

Modulation lente (TEO, TFMP) Solution alternative État de polarisation x (Dj, Dg) et (Dj, Dg) Modulation rapide (E) Modulation lente (TEO, TFMP) Mesure de E G(Dj0(TEO), Dg(TFMP)) Instabilité On doit compenser les dérives liées aux variations des températures de la fibre (TFMP) et du cristal EO (TEO) On doit connaître Dj0(TEO) et Dg(TFMP) Définir le point de fonctionnement optimal Stabiliser le point de fonctionnement

Calculs des déphasages relatifs Y Compensation des dérives d’état de polarisation b † Lame demi-onde (ql/2) : compensation de Y(Dj0, Dg) I1 = I2 + ql/2 Lame quart d’onde (ql/4) : compensation de x(Dj0, Dg) avec Polarisation rectiligne orientée à 45° † "Vectorial measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes", M. Bernier et al., Applied Optics 47 (2008). I3 = I4

Température du cristal Température de la fibre Compensation de l’état de polarisation I1= I2 I3= I4 Température du cristal Polarisation rectiligne orientée à 45° État de polarisation stable ≠ Réponse EO stable !! + Température de la fibre

Recherche du point de fonctionnement Asservissement des orientations des lames Signal CW connu Dg+2a Dg+2a Dg+2a + Contrôle de longueur d’onde :

Système de compensation Le système d’asservissement : Le banc optique asservi : Sonde fibrée avec férule polie à 8° État de polarisation en entrée de sonde I1=I2 + I3=I4 Détection, amplification et blindage Système d’asservissement numérique

Système d’asservissement 4 paramètres d’asservissement : Orientation de la lame quart d’onde (ql/4) Orientation de la lame demi-onde (ql/2) Longueur d’onde d’émission (l) Puissance optique (Popt) 4 boucles d’asservissement «Proportionnel-Intégrateur»

Sommaire Introduction & contexte Les sondes électro-optiques Problème de stabilité de la réponse électro-optique Système de compensation Résultats Mesure de champ électrique (Impulsionnel et CW) Mesure de température Conclusion & perspectives

Mesure de MFP sans compensation Source impulsionnelle monocoup ou salve : Porteuse à 9 GHz Polarisation rectiligne t E(t) 20 ns 3 ns 800 kV.m-1 Antenne guide d’onde (9 GHz) Sonde EO avec férule non polie Mesure fidèle

Résultats Conditions expérimentales : DT  10 C°/ heure 20 mètres de fibre TF Sélectivité > 20 dB Emin  24 kV.m-1 s = 3,8 dB Sensibilité  0,7 V.m-1.Hz-1/2

Fluctuation du signal EO  0,2 dB sur 1000 secondes Mesure de signal CW avec compensation Signal CW à 2.9 GHz Conditions expérimentales : DT = 15°C/1000 secondes LFMP=3 mètres DT8°C/heure pour 20 mètres de fibre Fluctuation du signal EO  0,2 dB sur 1000 secondes

Mesure de température : principe Sur une plage restreinte de température (quelques dizaines de °C) Mesure des variations relatives de température du cristal EO et de la FMP

Mesure de température du cristal EO Banc de mesure : Système d’asservissement : Contrôle et acquisition des quatre paramètres Acquisition de la température du thermocouple Protocole expérimental : Acquisition simultanée de ql/2(t), ql/4(t) et l(t) et Tetuve(t) Thermalisation de Tetuve Tini50°C

Résultats : Mesure de température Ajustement théorique : Calcul de Dj0 † : K-1 † "Vectorial measurement of single-shot high-power microwave pulses using pigtailed electro-optic probes", M. Bernier et al., Applied Optics 47 (2008).

Mesure de température : validation Modulation thermique d’état de polarisation K-1

Performances Dj0(ql/2, ql/4) Performances Mesure relative Précision de mesure : 0,04 K Dérive de température mesurable : ~ 50 mK.s-1 soit 3°C/min

Mesure de température de la FMP l = 2,9 mètres

Sommaire Introduction & contexte Les sondes électro-optiques Problème de stabilité de la réponse électro-optique Système de compensation Résultats Conclusion & perspectives

Conclusion & perspectives Sonde réalisée : 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 mm 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  Sonde compacte Fibrée Férule polie à 8° : stabilité Usinée Entièrement diélectrique Banc optique :  asservi numériquement Recherche du point de fonctionnement Suivi du point de fonctionnement Acquisition des données en température et état du système Transducteur EO : Transportable (A3) Blindé Entièrement automatisé

Plus d’applications si mesures 2 axes et meilleure sensibilité !! 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 pour la mesure simultanée de deux composantes du champ électrique (sonde non fibrée)† Sonde EO basée sur la modulation d’amplitude (Thèse d’Adriana Warzecha) † "Vectorial electric field measurement using isotropic electro-optic crystals", G. Gaborit et al., Appl. Phys. Lett. 90, (2007)

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