Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

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Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg

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Composants optoélectroniques

P. Lévêque

CNRS-InESS, Strasbourg

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Plan du cours

1 Introduction2 Interaction rayonnement-semiconducteur3 Photodétecteurs4 Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

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Plan du cours

1 Introduction2 Interaction rayonnement-semiconducteur3 Photodétecteurs4 Emetteurs de rayonnement à semiconducteur

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Photoémetteurs

-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications

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Photoémetteurs

-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Principe : jonction p-n polarisée en direct

Jonction p-n polarisée en direct

EV

EC

EFp

WdiffusionEF

diffusionEF

p n

E

VF

EFneVF

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Principe : jonction p-n polarisée en direct

Jonction p-n polarisée en direct

W

EV

EC

EFp

EFneVF

n

p

Ln

Lp

h

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rappel : jonction p-n polarisée en direct

p n

VF W

xdp dn

Ln Lp

pnF x)/L(xkT

eV

nnon e1eppp

Ln(p) << dn(p)

x’c

xp xnxc

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rappel : jonction p-n polarisée en direct

p n

VF W

xdp dn

Ln Lp

pnF x)/L(xkT

eV

pd

p2i

p e1eLN

Den(x)j

x’c

xp xnxc

x

peD(x)j pp

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Principe : jonction p-n polarisée en direct

Si VF est suffisante W étroite rôle mineur dans émission

Injection de trous dans zone de type n

1e

LN

Den)(xj kT

eV

pd

p2i

npF

Injection d’électrons dans zone de type p

1e

LN

Den)(xj kT

eV

na

n2i

pnF

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Principe : jonction p-n polarisée en direct

Courant total J conservatif (indépendant de x)

)(xj)(xjJ pnnp

na

n2i

pd

p2ikT

eV

LN

Den

LN

Den1eJ

F

JS

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Principe : jonction p-n polarisée en direct

Taux d’injection des porteurs minoritaires

J

)(xjγ;

J

)(xjγ

npp

pnn

1N

N

τμ

τμ

NLD

NLD

γ

γ

a

d

np

pn

anp

dpn

p

n (n >> p)

Recombinaisons essentiellement dans zone p

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure LED

n

substrat

pSiO2

Al

Au

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Spectre d’émission

Lié à Eg de SC de type p et au dopant utilisé

III-V miscibles : GaAsxP1-x ; GaxIn1-xP

Eg = Eg (x)

Emission dans le bleu difficile

GaN

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Spectre d’émission

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Spectre d’émission

Matériau Pic (nm) Couleur Rendement (%)

GaAs (Si) 1000 IR 10

GaAs (Zn) 900 IR 0.1

GaP (Zn, O) 699 Rouge 4

GaAs0.6P0.4 (Te) 644 Rouge 0.2

GaAs0.35P0.35 (S, N) 632 Orange 0.2

GaP (N) 690 Jaune 0.1

GaAs0.15P0.85 (S, N) 589 Jaune 0.05

GaP (N) 570 Vert 0.1Gapindirect

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rendement Rendement quantique interne i

nrr

rri rr

r

r

Taux de recombinaison radiatif

ornr

nrr

r τ

Δnr;

τ

Δnr

1ττ

τη

nrr

nri

(nr >> r SC à gap direct)

Rendement radiatif

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rendement Rendement optique o

Photons réabsorbés avant sortie de la diode

Réflexion totale

Semiconducteur (n1 ~3.5)

Air (n2 = 1)

1

2

Loi de Snell-Descartes

n1sin1 = n2sin 2

rt 16θ

3.5

π/2sinsinθ rtrt

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rendement Rendement optique o

Photon réfléchià interface air/SC

Photon sortantde la diode

rt

Angle solide couvrant espace :

4πdθsinθdφΩ2π

0

π

0o

Angle solide sous-tendu par rt :

rt

0

θ

0rt cosθ-12πdθsinθdφΩ

rt

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rendement Rendement optique o

R)-(1

2

θT

cosθ-12πT

Ω

Ωη

2rtrt

o

rto

n = 3.5 o = 1 %

+ interface transparent en plastique d’indice np = 1.5

o = 4 %

+ interface hémisphérique (incidence normale)

T = 96 %

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rendement

Rendement quantique externe e

e = i o =

Rendement global

él.

opt.

W

él.

ph

N

N Nb photons émis

Nb porteurs traversant p-n

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Rendement Rendement global

él.

opt.

W

ds

ge

él.

ph

VIr

/eEη

eVN

hNη

LED AlGaInP (rouge / jaune) > lampe à incandescence

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Modulation par courant injecté dans la diode

Fréquence de modulation limitée par diffusion dans jonction

p n

Vo+V1sin(t) W

dp

Ln

- dp >> Ln

- Vo >> V1

- faible injection

~ constant

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Distribution des électrons dans zone p :

n2

2

n τ

t)Δn(x,

x

t)n(x,D

t

t)Δn(x,

avec tj1o (x)eΔn(x)Δnt)Δn(x,

Vo V1sin(t)

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Distribution des électrons dans zone p :

0L

(x)Δn

x

(x)n2n

o2

o2

0L

(x)Δn

x

(x)n2*

n

12

12

avec

nnn τDL

n

nn*n τj1

τDL

ω

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Distribution des électrons dans zone p :

n

p

L

)x-(x-

poo )e(xΔn(x)Δn

*n

p

L

)x-(x-

p11 )e(xΔn(x)Δn

(dp >> Ln)

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Courant traversant la jonction :

J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp)

tj

x

1n

x

on

xn e

x

ΔneD

x

ΔneD

x

t)Δn(x,eDJ

ppp

ω

soit tjo eωJJJ ω avec )(xΔn

L

eDωJ p1*

n

n

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Nombre de photons émis (/cm2 s) : N

e = i o =él.

ph

N

N Nb photons émis

Nb porteurs traversant p-n

dxτ

Δneηdx

τ

Δnηdx

τ

ΔnηN

ppp x n

1tje

x n

oe

x ne

ω

soit tjo eωNNN ω avec )(xΔn

τ

LηωN p1

n

*n

e

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

)(xΔnτ

LηωN p1

n

*n

e )(xΔnL

eDωJ p1*

n

n et

Efficacité de modulation ωJ

ωNωR

Modulation du rayonnement

Modulation du courantd’excitation

n

e2

n

*ne

τj1

1

e

η

L

L

e

ηωR

ω

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Efficacité de modulation n

e

τj1

1

e

ηωR

ω

avece

ηR e

o (efficacité de modulation basse fréquence)

etn

c τ

2

c

o

ωω

1

RωRR

(passe-bas)

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Fréquence de coupure

oro

n Bp

ωf cc

(B : probabilité de transition radiative)

fc augmente si po (dopage) augmente

Utilisation de forts dopages dans limites de solubilité

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

Fréquence de coupure2π

Bp

ωf occ

fc = 114 MHz

Ex : GaAs

Limite de solubilité ~ 1018 /cm3 et B = 7.2x10-10 cm3/s

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Temps de réponse, fréquence de coupure

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Brillance : Br (W/sr m2)

Emission dans demi-plan et non isotrope

Bro brillance dans direction axiale ; S surface émettrice

Flux d’énergie t = SBro

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles

3 applications usuelles :

- affichage- photocoupleurs- transmission par fibre

Application conditionne la structure

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : affichage

- Emission dans le visible (Eg)

- Surface émettrice suffisante (géométrie)

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : photocoupleurs

LED Photo diode (Si)

Circuit 1 Circuit 2

Transmission de signaux logiques entre 2 circuits isolés

Emission LED compatible avec Si : GaAsP

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : transmission par fibres

- Emission LED compatible avec = 1.3 ou 1.5 µm

- Possibilité de modulation

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : caractéristique commune

Fort rendement quantique interne i

Matériaux purs (chimique et cristallographique)

(nr >> r)

Réalisations de couches épitaxiées

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE)

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE)

Ga

As

P

dopants

Ultravide (10-10 Torr)Dopage durant croissanceNettoyage substrat in-situTsubstrat ~ 400-900 °CVitessedépôt ~ 10-3-0.3 µm/min

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : GaAs0.35P0.65 (orange)

GaP n+

isolant

contact

GaAsxP1-x (0<x<0.35)

GaAs0.35P0.65

GaAs0.35P0.65 nGaAs0.35P0.65 p

contact

Germe (cristal) + conductivité

Couche tamponaccord du paramètre de maille

Couche activeinjection des électrons (n)

Recombinaison (p)gap direct pour x = 0.35

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Structure des LEDs usuelles : GaAs0.35P0.65 (orange)

Encapsulation

- Protection de LED et contacts- Augmente rendement (discontinuité d’indices,

diminution de réflexion : incidence normale)

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PhotoémetteursDiode électroluminescente LED

Exemple de LEDs usuelles

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Photoémetteurs

-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications

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Photoémetteurs

-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe

LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

- 1917 : découverte de l’émission stimulée (Einstein)- 1960 : premier LASER à rubis (Maiman)- 1958 : théorie de LASER à semiconducteur (Aigrain)- 1962 : premier LASER à semiconducteur (AsGa)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : Laser E

0

Pompage(excitation externe)

1

23

Durée de vie dans état 2 >> durées de vie transitions (3 → 2) et (1 → 0)

N2 > N1 : inversion de population

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur

Niveaux discrets remplacés par bandes d’énergie

N2 > N1 EFn-EFp > Eg (condition d’inversion)

Rayonnement amplifié réabsorbé par transitions intrabandes

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur

EFn-EFp > Eg (condition d’inversion)

E

EV

EC

EF

Eg

N(E)

E

EV

EC

EFp

Eg

N(E)

EFn

E

EV

EC

EFp

Eg

N(E)

EFn

Équilibre thermodynamique Inversion (0 K) Inversion (RT)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur

Rayonnement réabsorbé par transitions intrabandes

h

E = h

E = h

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct

Régions n et p très fortement dopées ; régime de forte injection

Extréma BV et BC perturbés

Gap effectif E’g < Eg

Laser à injection ou diodes lasers

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct

p n

Eg

Ec

EF

Ev

Equilibre thermique

p n

Eg

Ec

EFv

Ev

Polarisation directe

EFc

VF

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct

p n

Eg

Ec

EF

Ev

Equilibre thermique

p n

Eg

Ec

EFv

Ev

Forte injection

EFc

VF

d

Zone d’inversion

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Principe : caractéristiques communes

- faibles dimensions (~ µm)- puissance et cohérence spatiale << lasers conventionnels - rendement >> lasers conventionnels (conversion efficace)- grande facilité de modulation (transmission par fibres)- spectre couvert visible proche IR (III-V ; II-VI)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain : g(E)

(E) : flux de photons dans le matériau

dx

Ed

(E)

1g(E)

Gain

(gain ↔ coefficient d’absorption (E) si g(E) < 0)

xEgo (E)eΦΦ(E)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain : g(E)

rst(E) : taux d’émission stimulée

Φ(E)

(E)rg(E) st

rst(E) = (Nb photons créés par stimulation) / V t

Injection donnée, g = g(E)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain : g(E)

Condition d’émission stimulée :

g(E) > 0 (inversion de population)et

g(E) supérieur aux pertes (transitions intrabandes)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain : g(E)

h

E = h

E = h

Transitions intrabandes

Absorption par porteurs libres (Auger)

Coefficient d’absorptionpar porteurs libres p(E)

Coefficient net d’absorptionA(E) = g(E) - p(E)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain net : A(E) = g(E) - p(E)

Condition d’émission stimulée : A(E) > 0

- augmentation de l’intensité du signal lumineux émis- directivité de l’émission (direction la + grande de diode)

Diode superradiante

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain

Electrodes métalliques

p

n

Zone active

L

d

L : longueur de la diode ~ 300 µmd : épaisseur de zone active ~ 0.2 µm

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain

Semiconducteur, n ~ 3.5

Réflexion (~ 30 %) interface air / SC

Cavité résonante (Fabry-Pérot)

p

n

L

Photon stimuléémis

Photons transmis

d

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gainp

n

L

Photon stimuléémis

d

M1 M2/3

M4/5

Flux en M1 : (E) flux (E)eA(E)L en M2 (avant réflexion)

flux R(E)eA(E)L en M3 (après réflexion)

flux R(E)e2A(E)L en M4 (avant réflexion)

flux R2(E)e2A(E)L en M5 (après réflexion)

Résonance si R2(E)e2A(E)L > (E)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain Condition de résonance : R2(E)e2A(E)L > (E)

R

1Ln

L

1(E)αg(E) p

Avec p(E) ~ 70 cm-1 ; n = 3.6 ; R ~ 30 % ; L = 300 µm

g(E) > 100 cm-1

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Gain

E

g(E) (cm-1)

50

100

150

p

p+ (1/L)Ln(1/R)

E’g E1 E2 E’2 E’1

E0

Pas de photonémis

E < E’g

Pas d’inversionémission

spontanée

E > E0

A(E) < 0émission

spontanée

A(E) < 0émission

spontanée

résonanceémissionstimulée

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spectrale du rayonnement sans résonance

kT

ΔF)-(E

spst e-1(E)r(E)r où F = EFn - EFp

Position de raie stimulée : 0dE

(E)drst

1e

1(E)r

kT

1

dE

(E)dr/kTEΔFsp

maxr

sp

st

> 0 (inversion)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spectrale du rayonnement sans résonance

0dE

(E)drst 1e

1(E)r

kT

1

dE

(E)dr/kTEΔFsp

maxr

sp

st

0dE

(E)drlim

maxr

sp

ΔFst

Raie d’émission stimulée sur flancmontant de rsp(E) = f(E)

0dE

(E)dr

maxr

sp

st

Forte injection (F grand)raie d’émission stimulée

au maximum du spectre d’émissionspontanée

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spectrale du rayonnement sans résonance

(E)

EFaible injection

pas d’émission stimulée

Forte injectionémission stimulée

Très forte injectionémission stimulée

Pic d’émissionstimulée sur le flanc

montant de rsp(E)

Pic d’émissionstimulée au maximum de rsp(E) à très forte

injection

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spectrale du rayonnement avec résonance

L

k = 1 k = 2 k = 3 d

Résonance possible pour k modes avec 2nL = k

milieu d’indice n

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spectrale du rayonnement avec résonance

2nL = k

n

n

λ

λ

2nL

λ

k2

entre 2 modes, k = -1

distance intermode2nL

λ

λ

nλn

2L

λλ

212

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spectrale du rayonnement avec résonance

E (eV)

E (eV)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spatiale du rayonnement

l ~ 10 µm

d < 1 µm

L ~300 µm

n

1 %

d

Variation d’indice (~ 1 %) dans zone de forte injection

Guide d’onde (confinement)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spatiale du rayonnement

l ~ 10 µm

d < 1 µm

L ~300 µm

Amplification maximaledans la direction la plus

grande (L)

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PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Distribution spatiale du rayonnement

l ~ 10 µm

d < 1 µm

L ~300 µm

1

2

= 1 µm ~ d ~ l

Ouverture faisceauconditionnée par

diffraction

6l

λθ1

60d

λθ2

Page 75: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

Courant excitateur JFlux (E)

J

Jo

Emission spontanée ~ J

Emission stimulée ~ J

Page 76: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp) (n >> p)

Hypothèses : - zone active homogène

- e- injectés recombinés dans zone active

d

Δj

x

j nn

0dxj pn

Page 77: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

d

J

d

xj

d

dxjxj

d

Δj

x

j pnpnpnnn

red

J

dt

dn (équation de continuité)

i

stn

stsp iR

τ

nRRr

Durée de vie des e- en régime d’émission spontanée

Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i

Page 78: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i

Taux d’émission de photons stimulés dans mode i

L

i = 1 i = 2 i = 3 d

milieu d’indice n~

Page 79: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i

Taux d’émission de photons stimulés dans mode i

iist (n)NARi

Densité de photons sur le mode i

Page 80: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

iist (n)NARi où Ai(n) ~ gain du laser

On stipule Ai(n) = Ain avec Ai (cm3/s)

i

iin

nNAτ

n

ed

Jr

ed

J

dt

dn

Page 81: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

iii rg

dt

dN

Génération de photon dans mode i

Recombinaison de photon dans mode i

niiii τ

nγnNAg

Probabilité de génération spontanée d’un photon dans mode i

N

ii τ

Nr

Durée de vie d’un photon dans mode idans la cavité

Page 82: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

N : Durée de vie d’un photon du mode i dans la cavité

R

1Ln

L

n~c

τ

1p

N

Vitesse du photon dans cavité d’indice n~

Pertes dans la cavité

Page 83: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

N

i

niii

i

τ

N

τ

nγnNA

dt

dN

i

iin

nNAτ

n

ed

J

dt

dn

Hypothèses : - diode monomode

- i ~ 0

Page 84: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

NAnN

dt

dN

AnNτ

n

ed

J

dt

dn

n

En régime stationnaire, J constant n et N constants

ed

J

τ

n

τ

N

nN

Page 85: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

ed

Jτn n

Si J < Jo, N négligeable(rayonnement spontané seulement)

ed

J

τ

n

τ

N

nN

eted

J

τ

nR

nsp

J

Jo

Page 86: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

ed

τJn no

o Si J = Jo

ed

J

τ

n

τ

N

nN

et

J

Jo

NAnN

dt

dN

N

No Aτ

1n

R

1Ln

L

n~c

ed

τAτ

edJ p

nnNo

Page 87: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

ed

τJnn no

o Si J > Jo

ed

J

τ

n

τ

N

nN

J

Jo

(n diminue car émission stimulée → n sature)

0NAnτ

n

ed

Jo

n

o

oN

onJJ

ed

τ1

J

J

1N

Page 88: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Courant de seuil : Jo

E (eV)

Comportement réel

diodes multimodeszone active non homogène

(comportement filamentaire)

Mode plus intense peut changer au cours du temps

(influence dans communication par fibres)

Page 89: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

J

Jo

Variation linéaire = f(J)

Modulation d’amplitude pour communication par fibre

Fréquence de coupure fc conditionnée par n

LED émission spontanée, n ~ 1 nsDiode laser, n plus faible (émission stimulée) fc plus grande

Page 90: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

J’ = J + Jejt avec J > Jo ; J << J – Jo

n’ = n + nejt

N’ = N + Nejt

tjtj

n

tjtjNeNnenA

τ

nen

ed

JeJ

dt

dn'

ΔΔΔΔ

AnNτ

n

ed

J

dt

dn

n tjnetj

dt

dn

dt

dn' Δ

Page 91: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

En régime stationnaire, 0AnNτ

n

ed

J0

dt

dn

n

ed

ΔJNAnjωAN

τ

1n

n

ΔΔ

tjtj

n

tjtjNeNnenA

τ

nen

ed

JeJ

dt

dn'

ΔΔΔΔ

Page 92: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

De même,

0NjωAnτ

1-nAN

N

ΔΔ

NAnN

dt

dN

Page 93: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

0NjωAnτ

1-nAN

N

ΔΔ

ed

JNAnjωAN

τ

1n

n

ΔΔΔ

et

oN

onJJ

ed

τ1

J

J

1N

(J > Jo)

No Aτ

1nn (n sature car émission stimulée)

Page 94: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

njω-n1

J

J

ττ

1

NonN

ΔΔ

ed

J

τ

Njω

J

J

τ

1n

Non

ΔΔΔ

On pose

1

J

J

ττ

onN

20 et

on J

J

τ

1

Page 95: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

njω-nω

No

ΔΔ

ed

J

τ

Njωβn

N

ΔΔΔ

/ωωω/ωjβ/ω

1

ω

1

ed

Jn

oooo

ΔΔ

jβωω

ed

JN

22o

N

Δ

Δ

Page 96: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

jβωω

J/J

ττ

1

N

N22

o

o

nN

ΔΔmodulation

On poseoω

βγ et 2

o

o

nNo

ω

J/J

ττ

1A

Δ

Amplitude de modulation2/1

2o

22

2

2o

2

o

ω

ωγ

ω

ω1

A

N

NA

Δ

Page 97: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

2/1

2o

22

2

2o

2

o

ω

ωγ

ω

ω1

A

N

NA

Δ

A ~ Ao si << o

A ~ Aoo2/2

si >> o

A = Amax = Ao/si >> o

Fréquence de résonance

2/1

onN

oo 1

J

J

ττ

1

π2

1

π2

ωf

Page 98: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

0.01

0.1

1

10

100

0.01 0.1 1 10

n

N1/2

A/A

o

fo

Amax

J=1.01Jo

J=1.1Jo

J=1.5Jofo augmente

avec J

Page 99: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Fréquence de coupure

Ordres de grandeur

n ~ 10-9 s (LED émission spontanée)

R

1Ln

L

n~c

τ

1p

N

avec p ~ 60cm-1, L ~ 300 µmR ~ 30 % et ~ 3.5n~

N ~ 10-12 s

Pour J = 1.1Jo GHz6.11J

J

ττ

1

π2

1f

2/1

onNo

10 x supérieure à fc pour LED

Page 100: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH)

l ~ 10 µm

d ~ 0.1 µm

L ~300 µm

p GaAs1 µm

Confinement des électrons et des photons dans zone active

Page 101: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structure réelle des diodes lasers

Confinement des photons dans zone active par variationimportante d’indice entre AlGaAs et GaAs (~ 5 %)

Meilleur confinement que dans homojonction ( )%1~

~

n

n

Page 102: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structure réelle des diodes lasers

Confinement des électrons dans zone active par variation

du gap entre Al0.7Ga0.3As (1.9 eV)et GaAs (1.4 eV)

Page 103: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structure réelle des diodes lasers

Confinement supplémentaire des électrons dans zone active par irradiation

sélective aux protons

zones fortement résistives

Irradiation aux protons

Zones résistives

Page 104: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH)

Confinement des électrons et des photons dans zone activelimite le courant de seuil Jo

Utilisation de puits quantiques (hétérostructures qqs 10 nm)augmente encore confinement des électrons

Page 105: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structures verticales (VCSEL)

Vertical Cavity Surface Emitting Laser

Emission de lumière ┴ zone active

- Nombreux lasers sur même substrat- Connexion plus simple avec fibres optiques

Page 106: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structures verticales (VCSEL)

Mais un seul passagedes photons dans zone active

résonance

Puissance faible

Page 107: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structures verticales (VCSEL)

Distributed Bragg Reflectors

+ confinement

Page 108: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structures verticales (VCSEL)

Distributed Bragg Reflectors :

multicouches de semiconducteurd’indice différent

Réflectivité ~ 99.9 % (/ 30 % pour miroirs classiques)

Page 109: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursLaser à semiconducteur

Structures verticales (VCSEL)

Page 110: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

Photoémetteurs

-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications

Page 111: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

Photoémetteurs

-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications

Page 112: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Choix de l’émetteur

- Spectre d’émission compatible avec fibres optiques- Modulation- Couplage émetteur / fibre

Page 113: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Choix de l’émetteur

Fibres optiques :- transparence et faible dispersion = 1.3 - 1.5 µm- diamètres qqs µm → qqs 100 µm

Emetteurs :- rayonnement modulable = 1.3 - 1.5 µm- surface active de faibles dimensions

LED’s et diodes lasers

Page 114: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Choix de l’émetteur

LED’s :

moins chères meilleure durée de vie facilement modulables

Diodes laser :

surface active plus faible rayonnement + monochromatique rayonnement + puissant et directif

Diminue dispersion intermodeFavorise couplage

Page 115: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Ouverture numérique de la fibre

2n~

2n~

0n~

1n~

r

gaine

cœur

Fibre

Fibre à variation brutale d’indice

Page 116: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

2n~

2n~

0n~

1n~

r

Ouverture numérique de la fibre

r1o sinαn~sinαn~

Réflexion totale

1

2c n~

n~sinθ

Angle d’incidence maximal m ↔ c

0

22

21

m n~n~n~

ArcsinαOuverture Numérique ON

Page 117: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

2n~

2n~

0n~

1n~

r

Ouverture numérique de la fibre

0

22

21

m n~n~n~

Arcsinα

Ex : Cœur en silice dopée (SiO2-GeO2) :Gaine en silice pure (SiO2) :Fibre dans l’air :

53.1n~1 5.1n~2

1n~0

ON = 0.3 et m = 18° (fibres à gradient d’indice moins tolérantes)

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PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplage émetteur-fibre

rf dΩBS

LED de surface émettrice S ↔ fibre de section de cœur > S

Flux d’énergie transmis par la fibre :

2n~

2n~

0n~

1n~m

LED

S

m mm cosα-12πΩ

Page 119: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplage émetteur-fibre

rf dΩBS mα

0rf sinαB2πΦ dS où Br : brillance

or Br = Bro cos (Bro : brillance dans direction axiale)

20

2

rom2

rofn~

ONπSBαsinπSBΦ

Page 120: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplage émetteur-fibre

20

2

rofn~

ONπSBΦ : flux transmis par fibre

: flux total émis par la dioderot πSBΦ

Rendement de couplage c

20

22

21

20

2

t

fc

n~n~n~

n~ON

Φ

Φη

c ~ 10 % pour ON = 0.3

Page 121: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplage émetteur-fibre

Rendement de couplage : 20

22

21

20

2

t

fc

n~n~n~

n~ON

Φ

Φη

Si surface de la fibre Sf < S c réduit de Sf / S

Couplage optimal si ON maximal et Sf > S

Page 122: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplages LED-fibre

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PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplages LED-fibre

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PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplages LED-fibre

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PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplages diode laser-fibre

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PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplages diode laser-fibre

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PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications

Couplages diode laser-fibre

Page 128: Composants optoélectroniques P. Lévêque CNRS-InESS, Strasbourg.

Composants Optoélectroniques

Références

H. Mathieu : Physique des semiconducteurs et des composants électroniquesMasson

S.M. Sze : Semiconductor devicesWiley

http://britneyspears.ac/lasers.htmhttp://www.arcelect.com/fibercable.htmhttp://www.lanshack.com/fiber-optic-tutorial-fiber.asphttp://www.nepcorp.com/http://www.rohm.com/products/shortform/18led/led_index.htmlhttp://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/ledsintro.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/