OPTO-ELECTRONIQUE Composants photoniques et fibres optiques Serge MONNERET Institut Fresnel – CNRS...
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OPTO-ELECTRONIQUE
Composants photoniques et fibres optiques
Serge MONNERETInstitut Fresnel – CNRS – Marseille
[email protected] : 04 91 28 80 52
Contenu du cours - Plan
1. Fibres optiques
2. Sources lumineuses Les atomes Les solides Processus d'interaction atome / lumière Le laser
3. Détecteurs de lumière4. Réseaux de communications optiques
Structure électronique des atomes
Répartition des électrons décrite par 4 nombres quantiques :n : nbre quantique principal = 1,2,…,7 = K,L,M,…, Ql : nbre quantique du moment cinétique = 0,1,2,…, n-1 = s,p,d,f,..ml : nbre quantique magnétique : 0, ±1, ± 2, …, ± ls : nbre quantique de spin (moment cinétique propre) : + ½ et – ½
Table périodique des éléments
De l'atome au cristal
Les différentes classes de matériaux
typ : 107 e- / m3
dans BCtyp : 1028 e- / m3
dans BC
Porteurs de charges dans un semi-conducteur
Porteurs de charges : électrons, mais aussi trous !
création de paires electron-trou
Recombinaison electron-trou
Choix du matériau
Excès d’électrons Défaut d’électrons
Dopage du silicium
Arsenic, phosphore Bore, gallium
dopage N
T° ambiante : tous les électrons issus du dopant sont dans la bande de conduction : électrons libres
dopage P
T° ambiante : tous les trous issus du dopant sont remplis par des électrons provenant de la bande de conduction, laissant la place à des trous libres dans la bande de conduction
Matériaux P et N – niveaux d'énergie
Effets du dopage
jonction P-N
jonction P-N à l'équilibre
jonction P-N
Polarisation des jonctions P-N
Polarisation directe
barrière de potentiel abaisséeon favorise la diffusion naturelle des porteurscourant direct = courant de diffusion des porteurs majoritaires
Polarisation inverse
barrière de potentiel renforcéediffusion naturelle des porteurs stoppéeconduction par le champ électrique élevé dû aux ionscourant inverse = courant de conduction des porteurs minoritaires
Effet d'avalanche - claquage
Diode fortement polarisée en inverse
champ électrique intense
Accélération des électrons
générations de paires é/trous par ionisation par impact des atomes sur le cristal
Phénomène d'avalanche si la ZCE est suffisamment large
Seuil de claquage : énergie trop importante, liaisons de valence brisées
Caractéristique courant - tension
courant de fuitecourant d'obscurité
Avalanche
Claquage
Tension seuil Vb
Applications des jonctions P-N
Cellulesphotovoltaïques
Diodesélectroluminescentes
Photodiodes
SOURCES et DETECTEURS
Structure d ’une diode Extraction de la lumière d ’une diode
Spectre d ’une LED
Hétérostructure / guidage de la lumière / émission par la tranche
Diode laser
Diode laser à homojonction
Diode laser à double hétérojonction
Monochromaticité des diodes laser
Création des paires électron/trou dans une jonction PN polarisée en inverse
La photoconduction
Principe de fonctionnement d'une photodiode
Exemple de diodes silicium
choix du matériau
Photodiode PIN
Diode à avalanche
Photomultiplicateur
Dispositif extrêmement sensible
Capteur CCD
Prix des composants
Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 :
plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 dB/km @650 nm175 € / 100m
Silice à gradient d'indice, diam gaine ext = 2.8 mmrayon de courbure dynamique : 50 mmrayon de courbure statique : 30 mm
50/125, BP > 350 MHz.km : 280 € pour 100 m62.5/125, BP > 160 MHz.km : 290 € pour 100 m
Module Laser @ 670 nm (fibres plastiques)1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 17.60 € TTC5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 18.60 € TTCdurée de vie : 50000 Hdiamètre spot : 10 mm à 30 m