OPTO-ELECTRONIQUE

Composants photoniques et fibres optiques

Serge MONNERETInstitut Fresnel – CNRS – Marseille

serge.monneret@fresnel.frtel : 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