Maxime BERNIER

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

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

3. 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

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

5. E dI Perte de l’information spectrale !! Techniques de mesure • Mesure de puissance : mesure quadratique • Bolomètres & calorimètres • 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

6. 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

7. dn(E) E Principe de la mesure • Principe : 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

8. Caractéristiques des sondes EO Interféromètre de Fabry-Pérot Interféromètre à 2 ondes Modulation d’état de polarisation I I 1dB 3I0/4 ?? u Dj(E) 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

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

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

11. 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

12. 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. B18, p. 1092-1098, (2001)

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

14. 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

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

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

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

18. 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

19. 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

20. Calculs des déphasages relatifs Y a 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 Optics47 (2008). I3 = I4

21. 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

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

23. 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

24. 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»

25. 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

26. E(t) 800 kV.m-1 20 ns 3 ns t Mesure de MFP sans compensation • 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

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

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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 Optics47 (2008).

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

33. 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

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

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

36. 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 • Sensibilité0,7V.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

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 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)

38. MERCI