Dispositifs optoélectroniques

Programme

• Chapitre 1. Interaction lumière-semi-conducteur

• Propriétés de la lumière

• flux lumineux,

• flux luminance,

• dualité onde-particule de la lumière,

• spectre du rayonnement électromagnétique,

• différents types d’interactions lumière-matière: photoconducti-vité, photo-ionisation, photoélectron, photovoltaïque.

• Chapitre 2. Propriétés électronique et optique des semi-conducteurs

• Structure de bandes des semi-conducteurs, notions sur les bandes d'énergie,

• processus radiatif et non radiatif dans les semi-conducteurs,

• phénomène d’absorption de la lumière, composants d'optoélectronique: capteurs et détecteurs de lumière.

• Chapitre 3. Emetteurs de lumière Diodes électroluminescentes: principe, caractéristiques électriques et spectrale, différents types de diode LED, diodes laser: oscillation laser, caractéristiques électriques et spectrale, différents types de diode laser.

• Chapitre 4. Détecteurs de lumière • Photorésistance: fonctionnement, technologie, symboles et

codifications, schémas et applications. Photodiode: fonctionnement, caractéristiques électriques, caractéristiques optiques, symboles et codifications, circuits associés.

• Phototransistor: principe, caractéristiques, symboles et codifications, schémas et applications.

• Cellules photovoltaïques (Photopile, Batterie solaire): effet photovoltaïque, fabrication des cellules. Afficheurs à cristaux liquides, Photomultiplicateur, Capteurs d’images.

• Chapitre 5.Fibres optiques Introduction, optique géométrique, structure de la fibre optique, types de fibres, atténuation, dispersion, fonctionnement des fibres optiques (guidage de l'onde, paramètres, phénomènes non linéaires), connectiques et pertes dans les fibres.

• Chapitre 1. Interaction lumière-semi-conducteur

• Propriétés de la lumière

• flux lumineux

• flux luminance

• dualité onde-particule de la lumière

• spectre du rayonnement électromagnétique

• différents types d’interactions lumière-matière:photoconducti-vité,

• photo-ionisation, photoélectron, photovoltaïque.

Qu’est-ce que la lumière?

La lumière est une forme d’énergie, tout comme l’électricité ou la chaleur. Elle est composée de minuscules particules que l’on appelle photons et se déplace sous forme d’onde.

La lumière est en fait générée par les vibrations des électrons dans les atomes. Il s’agit donc d’un mélange d’ondes électriques et magnétiques : on dit que la lumière est une onde électromagnétique.

• Dans le vide, la lumière se déplace en ligne droite à une vitesse de près de 300 000 km/s. À cette vitesse, nous pourrions faire sept fois et demie le tour de la Terre en une seconde! Ceci est d’ailleurs la vitesse limite universelle. Rien dans l’Univers ne peut aller plus vite que la lumière.

a) Vitesse finieLes scientifiques ont cru longtemps que la propagation de la lumière était instantanée. Au 17e siècle, on rejeta cette idée et on parvint à mesurer pour la première fois la célérité ou vitesse de propagation finie de la lumière.Dans les autres milieux transparents (eau, verre, ...), la lumière se propage toujours à une vitesse inférieure à 3,00X 108 m/s.

• Il existe plusieurs formes de lumière. Celle que nous connaissons est la lumière visible. Il existe cependant plusieurs autres formes d’ondes lumineuses : les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X, etc.

• Ce qui différencie ces types de lumière est la longueur d’onde ou encore la quantité d’énergie qu’elles transportent.

Spectre électromagnétique

Les longueurs d’onde du spectre visible s’étendent approximativement de 380 à 720 [nm].

Définition du flux lumineux

Aspect corpusculaire de la lumière

Energie des photon optique

Interaction lumière-matière

• L'interaction entre la lumière et la matière est la base de la spectroscopie UV-visible : la lumière apporte l'énergie suffisante pour exciter les molécules d'intérêt. De précieuses informations peuvent être déduite à partir des spectre d'absorption ou d'émission.

Interaction lumière matièreDiffusion, ionisation

• Le rayonnement incident peut interagir de plusieurs manières avec l'atome :

• il peut être diffusé, c'est-à-dire qu'il « rebondit » sur l'atome :

• diffusion élastique : le rayonnement "rebondit" sans perdre d'énergie ; si le rayonnement incident est électromagnétique (lumière, rayon X) on parle de diffusion Rayleigh, si c'est un électron, on parle de rétrodiffusion ;

https://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_Rayleighhttps://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron_r%C3%A9trodiffus%C3%A9

Interaction lumière matière.

• diffusion inélastique : le rayonnement "rebondit" avec perte d'énergie (voir la Diffusion Raman) ; si le rayonnement provoque l'éjection d'un électron faiblement lié, il perd donc de l'énergie, c'est la diffusion Compton ;

https://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_Ramanhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Compton

Interaction lumière matière.

• il peut être absorbé, en provoquant une transition électronique :

• si l'énergie incidente est faible, il provoque simplement le changement d'orbite d'un électron ;

Interaction lumière matière.

• si l'énergie est suffisante, il provoque une ionisation ; si le rayonnement incident est électromagnétique, on parle d'effet photoélectrique et l'électron éjecté est un photoélectron ; si le rayonnement incident est un faisceau d'électrons, les électrons éjectés sont des électrons secondaires.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_photo%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron_secondaire

Interaction lumière matière.

Effet photovoltaïque• est un des effets photoélectriques. Il est mis en œuvre dans

les cellules photovoltaïques pour produire de l'électricité à partir du rayonnement solaire. L’effet photovoltaïque a été découvert par le physicien français Edmond Becquerel et présenté à l'académie des sciences en 1839. Il est le produit du choc des photons de la lumière sur un matériau semi-conducteur qui transmet leur énergie aux électrons qui génèrent une tension électrique.

• L’effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors des paires électrons-trous (excitation d'un électron de la bande de valence vers la bande de conduction) créant une tension ou un courant électrique. Plusieurs types de composants peuvent être créés à partir de ce principe. Ils sont appelés photodiodes, phototransistors ou des photopiles. Cet effet photovoltaïque est notamment utilisé dans les panneaux solaires photovoltaïques.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_photo%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Edmond_Becquerelhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Acad%C3%A9mie_des_sciences_(France)https://fr.wikipedia.org/wiki/Photonhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteurhttps://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectronhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_de_valencehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_de_conductionhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Photocouranthttps://fr.wikipedia.org/wiki/Photodiodehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Phototransistorhttps://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Photopile&action=edit&redlink=1https://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFque

la photoconductivité

• Survient chaque fois que la résistance électrique d'un corps varie lorsqu'on l'éclaire avec un rayonnement électromagnétique appartenant à tous les domaines du spectre lumineux (domaine visible, ultra-violet et infrarouge).

• Principe: • Ce phénomène s'observe sur les

matériaux semiconducteurs hautement résistifs. Une lumière avec une fréquence (donc une énergie) suffisante va restituer suffisamment d'énergie aux électrons de la bande de valence pour atteindre la bande de conduction. Les électrons résultants et leurs trous associés vont permettre la conductivité électrique, donc la diminution de la résistance.

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sistance_%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tiquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re_visiblehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Ultra-violethttps://fr.wikipedia.org/wiki/Infrarougehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Semiconducteurhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_de_valencehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_de_conduction

Niveau d'énergie d'une molécule

• L'énergie d'une molécule peut se décomposer en plusieurs termes :

• un terme d'énergie correspondant à sa rotation dans l'espace Erotation ;

• un terme d'énergie associé aux vibrations des noyaux des atomes qui la composes Evibration

• un terme d'énergie associé aux électrons Eelectrons.

• Les molécules possèdent différentes énergies, toute quantifiée :

• l'énergie des noyaux, comme pour les atomes ; • l'énergie électronique de l'ordre de grandeur de

1eV ; • l'énergie vibrationnelle ou vibratoire due à la

vibration des atomes dans la molécule de l'ordre de 10-1eV ;

• l'énergie rotationnelle : énergie de rotation de la molécule autour de ces différents axes, de l'ordre de 10-3eV

• L'énergie d'une molécule s'écrit alors, en première approximation :

Emolecule=Erotation+Evibration+Eelectron

• On parle alors de niveaux d'énergie. Le passage d'un niveau à l'autre s'appelle une transition énergétique ou transition spectrale.

• Chaque niveau d'énergie électronique est associé à un très grand nombre de valeurs pour les énergies vibratoire et rotationnel, induisant ainsi une multitude de transitions possibles.

Chaque niveau d'énergie électronique est associé à un très grand nombre de valeurs pour les énergies vibratoire et rotationnel, induisant ainsi une multitude de transitions possibles.

Rappel

• a) Le photon • Le photon est une particule qui possède les propriétés

suivantes : • il est toujours en mouvement et se déplace à la célérité de

la lumière c = 3,00.108m.s-1 dans le vide, • il n'a ni masse ni charge électrique, • il véhicule une certaine quantité d'énergie appelé quantum

d’énergie :• h = 6,63.10-34J.s est appelée constante de Planck

fréquence de la radiation associée au photon en Hz. E : énergie du photon en Joule noté J

Rappel

• Exercice:• 1. Quelle est la longueur

d'onde du rayonnement émis lors de la transition du niveau n=3 vers le niveau n=2 de l'atome d'hydrogène ?

• 2. Quelle doit être la fréquence d'un rayonnement capable d'ioniser un atome d'hydrogène ?

• Solution:

• 1/

2/

• Chapitre 2. Propriétés électronique et optique des semi-conducteurs

Introduction

• Les semiconducteurs ont acquis une importance considérable dans notre société. Ils sont à la base de tous les composants électroniques et optoélectroniques qui entrent dans les dispositifs informatiques, de télécommunications.

• On distingue isolants et conducteurs par la différence d'énergie qu'il existe entre ces bandes, appelée le "gap" (le fossé).

La théorie des bandes

Les éléctronspériphériques peuvent se situer dans deux bandes permises: Bande de valence et la bande de conduction

La position respective de sesdeux bandes qui va classerles matériaux soitconducteur, soit isolantsoit semi-conducteur.

Un exemple d’un conducteur est le cuivre,

Le 29 eme électron est localisé à la bande de valence et comme il est libre il est aussi à la bande de conduction

Ce chevauchement des deux bandes caractérise un matériel conducteur

Dans un isolant comme le carbone et le diamant

• Pour faire remonter un électron de la bande de valence vers la bande de conduction, il faut chauffer le matériel isolant de plusieurs centaine de degrés ou l’éclairer avec des photon très énergétique ultra violet ou rayon X

Dans un Semi conducteur comme de germanium ou silicium , la bande interdite existe encore mais sa largeur est très faible

• Une petite excitation par chauffage ou par rayonnement solaire peut faire passer l'électron dans la bande de conduction et conduire le courant

Exemple: Si :Eg = 1,12 eVGaAs :Eg = 1,42 eV

1 1,008

1 numéro atomique masse atomique

3 6,939 4 9,012 4 9,012

structure électronique symbole solide artificiel

liquide

2 11 23,00 12 24,31 nom gaz

3

19 39,10 20 40,08 21 44,96 22 47,90 23 50,94 24 52,00 25 54,94 26 55,85 27 58,93 28 58,71 29 63,55

4

37 85,47 38 87,62 39 88,91 40 91,22 41 92,91 42 95,94 43 98,91 44 101,1 45 102,9 46 106,4 47 107,9

5

55 132,9 56 137,3 57 198,9 72 178,5 73 180,9 74 183,9 75 186,2 76 190,2 77 192,2 78 195,1 79 197,0

6

87 223 88 226 89 227

7

* 58 140,1 59 140,9 60 144,24 61 145 62 150,35 63 152,0 64 157,3

Lanthanides6

** 90 232,0 91 231 92 238,0 93 237,1 94 244 95 243 96 247

Actinides7

/------------------------8------------------------\ 1B4B 5B 6B 7B

1A

Groupe

2A

3B

H

Li

Sodium Magnésium

Be1s22s2

1s1

Hydrogène

Be1s22s21s22s1

Beryllium

Na Mg(Ne)3s1 (Ne)3s2

BerylliumLithium

K Ca(Ar)4s1 (Ar)4s2

Potassium Calcium

Rb Sr(Kr)5s1 (Kr)5s2

Rubidium Strontium

Cs Ba(Xe)6s1 (Xe)6s2

Césium Barium

Fr Ra(Rn)7s1 (Rn)7s2

Francium Radium

Sc(Ar)3d14s2

Scandium

Y(Kr)4d15s2

Yttrium

La*(Xe)5d16s2

Lanthane

Ac**(Rn)6d17s2

Actinium

Ti V Cr(Ar)3d24s2 (Ar)3d34s2 (Ar)3d54s1

Titane Vanadium Chrome

Zr Nb Mo(Kr)4d25s2 (Kr)4d45s1 (Kr)4d55s1

Zirconium Niobium Molybdène

W(Xe)4f145d26s2 (Xe)4f145d36s2 (Xe)4f145d46s2

Tantale Tungstène

Mn

Maganèse

(Kr)4d55s2

Re

Rhénium

Hf Ta

Fe Co(Ar)3d54s2 (Ar)3d64s2 (Ar)3d74s2

Fer Cobalt

Tc Ru Rh(Kr)4d75s1 (Kr)4d85s1

Technétium Ruthénium Rhodium

Os Ir(Xe)4f145d56s2 (Xe)4f145d66s2 (Xe)4f145d76s2

Osmium Iridium

Ni Cu

Nickel Cuivre

(Kr)4d105s0 (Kr)4d105s1

Pt Au

(Ar)3d84s2 (Ar)3d104s1

Pd Ag

Palladium Argent

Platine Or

(Xe)4f145d106s0 (Xe)4f145d106s1

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd(Xe)4f75d16s2

Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium

(Xe)4f25d06s2 (Xe)4f35d06s2

U Np

(Xe)4f65d06s2 (Xe)4f75d06s2(Xe)4f45d06s2 (Xe)4f55d06s2

Cm(Rn)5f06d27s2 (Rn)5f26d17s2 (Rn)5f36d17s2 (Rn)5f56d07s2 (Rn)5f66d07s2 (Rn)5f76d07s2 (Rn)5f76d17s2

Th Pa

Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium

Pu Am

2 4,003

5 10,81 6 12,01 7 14,01 8 15,99 9 18,99 10 20,18

13 26,98 14 28,09 15 30,97 16 32,06 17 36,45 18 39,95

30 65,38 31 69,72 32 72,59 33 74,92 34 78,96 35 79,91 36 83,80

48 112,4 49 114,8 50 118,7 51 121,8 52 127,6 53 126,9 54 131,3

80 200,6 81 204,4 82 207,2 83 209,0 84 210 85 210 86 222

65 158,9 66 162,5 67 164,9 68 167,3 69 168,9 70 173,0 71 175,0

97 247 98 251 99 254 100 257 101 256 102 254 103 257

GAZ

2B

3A

RARES

7A6A5A4A

Zn(Ar)3d104s2

Zinc

Cd(Kr)4d105s2

Cadmium

Mercure

Hg(Xe)4f145d106s2

Ga Ge(Ar)3d104s24p1 (Ar)3d104s24p2

Gallium Germanium

In Sn(Kr)4d105s25p1 (Kr)4d105s25p2

Indium Étain

B C1s22s22p1 1s22s22p2

Bore Carbone

Al Si(Ne)3s23p1 (Ne)3s23p2

Aluminium Silicium

N O1s22s22p3 1s22s22p4

Azote Oxygène

P S(Ne)3s23p3 (Ne)3s23p4

Phosphore Soufre

F Ne1s22s22p5 1s22s22p6

Argon

Fluor Néon

Cl Ar

He1s2

Hélium

As Se Br Kr

(Ne)3s23p5 (Ne)3s23p6

Chlore

(Ar)3d104s24p3 (Ar)3d104s24p4 (Ar)3d104s24p5 (Ar)3d104s24p6

Arsenic Sélénium Brome Krypton

Sb Te I Xe

Iode Xénon

(Kr)4d105s25p3 (Kr)4d105s25p4 (Kr)4d105s25p5 (Kr)4d105s25p6

Bi Po

Antimoine Tellure

At Rn(Xe)4f145d106s26p1 (Xe)4f145d106s26p2 (Xe)4f145d106s26p3 (Xe)4f145d106s26p4 (Xe)4f145d106s26p5 (Xe)4f145d106s26p6

Tl Pb

Thalium Plomb Bismuth Polonium Astate Radon

Dy Tm YbTb

Terbium

(Rn)5f76d27s2

Lu(Xe)4f95d06s2 (Xe)4f105d06s2 (Xe)4f115d06s2 (Xe)4f125d06s2 (Xe)4f135d06s2 (Xe)4f145d06s2 (Xe)4f145d16s2

Ho Er

Lutétium

Bk Cf Es Fm Md No (Lw)

Dysprosium Holmium YtterbiumErbium Thulium

Berkélium Californium Einsteinium Fermium Mendéléviuml Nobélium Laurencium

(Rn)5f96d17s2

Semiconducteurs : Matériaux

Ge : (Ar)3d104s24p2 : 4 électrons de valence

Matériaux semiconducteurs : Colonne IV : Si, Ge, C, …III - V : GaAs, InSbII - VI : CdTe, …

Structure électronique :

Si : (Ne)3s23p2 : 4 électrons de valence

Ga : (Ar)3d104s24p1 : 3 électrons de valence

As : (Ar)3d104s24p3 : 5 électrons de valence

En moyenne4 électronsde valence

Etc.

Semiconducteurs : Matériaux

Les propriétés électriques des semiconducteurs

• La conductivité des semiconducteurs est entre celle des métaux et celle des isolants, conduisant de l'électricité de façon limitée à température ambiante comme le montre la figure suivante.

• Ces variations dans la conductivité électrique sous l’influence de divers facteurs font des semiconducteurs les matériaux de choix pour l’électronique et ses applications.

La notion d’électrons - trous dans les semiconducteurs

• Les porteurs libres intrinsèques dans un semiconducteur est double, soit des électrons(charge négative) soit des trous (charge positive) (i.e (absence d’électron) dont le nombre ni et pi est fonction de la température. La neutralité du matériau fait que ni doit être égal à pi.

Semi-conducteurs intrinsèques

Semi-conducteurs extrinsèques

• Un semi-conducteur extrinsèque est un semi-conducteur intrinsèque auquel on introduit des impuretés, on dit également qu’il est dopé ce qui lui confère des propriétés électriques adaptées aux applications électroniques (diodes, transistors, etc…) et optoélectroniques (émetteurs et récepteurs de lumière, etc…).

• Le dopage provoque l’apparition de nouveaux niveaux accepteurs et donneurs d’électrons dans le gap, situé entre la bande de conduction et la bande de valence. Il existe deux types de dopage :

Dopage de type N et de type P

• Dans le domaine des semi-conducteurs, le dopage est l'action d'ajouter des impuretés en petites quantités à une substance pure afin de modifier ses propriétés de conductivité.

• Les atomes de matériau dopant sont également appelés impuretés,

• Il existe deux types de dopage :• le dopage de type N, qui consiste à produire un excès d'électrons, qui

sont négativement chargés ;• le dopage de type P, qui consiste à produire un déficit d'électrons, donc un

excès de trous, considérés comme positivement chargés.• Les schémas suivants présentent des exemples de dopage

du silicium respectivement par du phosphore (dopage N) et du bore (dopage P)..

https://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteurhttps://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectronhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Charge_%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectronhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Trou_d'%C3%A9lectronhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Charge_%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Siliciumhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Phosphorehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Bore

Exemple du Dopage N

Dans ce cas du phosphore , un électron supplémentaire est amené

Exemple de semi-conducteur dopé N.

• Par analogie avec les semi-conducteurs de type P, à température ambiante, tous les atomes donneurs seront ionisés. Par conséquent, la densité de donneurs (ND) est très supérieure à la densité de porteurs intrinsèques, soit ND >> ni. Dans le cas d’un dopage de type N, la densité d’électron est donc très proche de celle du dopant donneur

ND, il vient donc n =ND >> ni et P= 𝑛2𝑖

𝑁𝐷

Exemple du Dopage P

Dans Ce cas du bore , il manque un électron ; c'est donc un trou d'électron qui est amené.

Exemple de semi-conducteur dopé P.

• A température ambiante, tout les atomes accepteurs seront ionisés. Par conséquent, la densité de dopant (NA) est très supérieure à la densité de porteurs intrinsèques, soit NA >> ni. Dans le cas d’un dopage de type P, la densité de trous est donc proche de celle du dopant accepteur NA, il vient donc

P=NA >> ni et𝑛2𝑖

𝑁𝐴

• Notons qu’un trou peut être comblé par un électron de valence. Ce faisant, l’électron quitte la place qu’il avait au sein de l’atome qui l’hébergeait, créant alors un nouveau trou, etc. Un trou peut donc se propager dans le cristal comme une particule réelle !

• Remarques :→ Dans le cas du dopage N, les porteurs de charges (mobiles) sont les électrons. Pour un dopage P, ce sont les trous. Dans les deux cas, le matériau reste électriquement neutre.→ Un semi-conducteur non dopé est dit intrinsèque.

La jonction PN

•En accolant un semi-conducteur dopé P avec un dopé N, on crée une jonction PN. Quelques électrons de la zone N migrent dans la zone P pour se combiner avec les trous. Quand l’électron quitte son atome, celui-ci s’ionise positivement. Quand l’électron se combine avec un trou, l’atome porteur du trou devient un ion négatif. Il se produit alors une couche de transition d’épaisseur

3. Applications des semi-conducteurs

• Les semi-conducteurs sont à la base de l’électronique moderne. En effet, la jonction PN assure le fonctionnement des composants suivants :

• Les diodes, formées par une jonction PN. En polarisant la diode en direct (borne + sur zone dopée P …), le champ électrique imposée par le générateur s’oppose au champ électrique interne, ce qui permet aux porteurs de charge de franchir la jonction : la diode est passante, elle laisse passer le courant électrique.

Quand la diode est polarisée en inverse, le champ électrique dû au générateur s’ajoute au champ interne, ce qui empêche les porteurs de charge de passer : la diode est bloquée, le courant ne passe pas.

• Les diodes électroluminescentes LED (light-emitting diode) fonctionnent comme des diodes ordinaires, sauf qu’elles émettent de la lumière. Les LED connaissent un formidable essor.

Symboles électriques des diodes, LED et transistors. Les diodes et LED laissent passer le courant quand celui-ci va de gauche à droite sur ce schéma.

• Les transistors consistent en deux jonctions PN accolées. Ils servent dans la pratique de commutateurs (interrupteurs commandés), d’amplificateurs de signaux, etc.

• Les cellules photovoltaïques, formant les panneaux solaires. Une cellule photovoltaïque est composée d’une jonction PN au silicium. Les photons du rayonnement solaire arrachent des électrons aux atomes de la jonction, créant une paire électron-trou. De part le champ électrique interne, l’électron et le trou sont séparés. L’électron est injecté dans un circuit électrique. Une fois de retour dans la jonction, il peut se combiner avec un trou (qui lui ne sort pas du matériau).

• Chapitre 3. Emetteurs de lumière

• Diodes électroluminescentes: principe, caractéristiques électriques et spectrale, différents types de diode LED, diodes laser: oscillation laser, caractéristiques électriques et spectrale, différents types de diode laser.

Diodes électroluminescentes

• Principe de fonctionnement

• Le mot LED est l'acronyme de Light EmittingDiode (Diode Electroluminescente en français). Le symbole de la LED ressemble à celui de la diode mais on y a ajouté deux flèches sortantes pour représenter le rayonnement lumineux émis.

Electroluminescence

• La physique des semi-conducteurs nous enseigne que les électrons dans les solides cristallins se situent à des niveaux d'énergie spécifiques. Ces niveaux très proches les uns des autres, sont regroupés en "bandes d'energie".

Un électron de la bande de valence peut passer dans la bande de conduction à condition d'acquérir une énergie supplémentaire au moins égale à Delta E.C'est l'effet photoelectrique.

• Un électron de la bande de conduction peut passer dans une bande de valence. Dans ce cas il libère une énergie au moins égale à Delta E.Cette énergie peut être :

• Dissipée sous forme de chaleur (phonons),• émise sous forme de lumière (photons).• C'est l'effet électroluminescence (visible ou non).

Caractéristiques optiques

• Longueur d'onde du pic d'émission

• Cette valeur nous indique la longueur d'onde (lambda p), en nano-mètre, à laquelle est émis la plus importante partie du rayonnement (wavelength). La valeur est donnée pour une intensité de courant (IF).

https://www.positron-libre.com/cours/electronique/diode/led/led.php#if

• Spectre ou largeur spectrale à mi-intensité

• Le spectre d'émission d'une diode LED est relativement étroit.Exemple : pour une longueur d'onde à intensité maximale égale à 520 nm,

• la longueur d'onde à intensité moitié pourra être comprise de 505 nm à 535 nm (soit une largeur spectrale de 30 nanomètres).

• Il existe actuellement plusieurs types de LED donnant chacun des spectres différents. Cela est obtenu par la variété des semi-conducteurs utilisés pour fabriquer les jonctions PN.

Matériaux Rayonnement Longueur d'onde

InAs ultra-violet 315 nm

InP infra-rouge 910 nm

GaAsP4 rouge 660 nm

GaAsP82 jaune 590 nm

GaP vert 560 nm

Correspondance couleurs, longueurs d'onde et énergie des photons

CouleurLongueur d'onde

(nm)Energie des photons

(eV)

UltraViolet < 390 > 3,18

Violet 390-455 2,72-3,18

Bleu 455-490 2,53-2,72

Cyan 490-515 2,41-2,53

Vert 515-570 2,18-2,41

Jaune 570-600 2,06-2,18

Orange 600-625 1,98-2,06

Rouge 625-720 1,72-1,98

InfraRouge > 720 < 1,72

Diagramme de rayonnement

• Le flux lumineux n'est pas homogène tout autour de la LED. La répartition spatiale de la puissance émise dépend de la forme de la diode LED :

• forme de la partie émissive (point, trait…),• avec lentille de concentration ou sans,• diffusante ou non.

• Cette répartition est définie par le diagramme de rayonnement qui représente la répartition angulaire de l'intensité relative émise.

• Angle d'émission à mi-intensité

• Les fabricants précisent souvent l'angle pour lequel l'intensité

lumineuse a été réduite de moitié.Sur le diagramme ci-dessus, le point

rouge indique un angle de 10 degrés

et le point vert un angle de 50°

pour une intensité relative émise

de 50%.

• Intensité lumineuse

• L'intensité lumineuse (mesurée en candelas) est la quantité de lumière émise dans une certaine direction à 1 mètre de distance. Dans les caractéristiques optiques des leds nous l'exprimons aussi en micro-candela (mcd) et se note IV.

Type de LED

- Les leds infrarouges. Elles émettent dans le spectre invisible de l'infrarouge .Astuce : Pour voir si votre télécommande infrarouge fonctionne,

prendre un téléphone portable en mode vidéo et filmer la diode de la télécommande, on voit très bien les pulsations de la diode infrarouge quand elle fonctionne.

- Les leds à spectre visible. Le boîtier peut être de la même couleur que celle de la lumière émise, il peut aussi être transparent. On trouve des leds carrées, triangulaires ou rectangulaires. Certains afficheurs sept segments sont constitués de Leds. Le tableau 1 résume les principales caractéristiques des leds.

• - Les leds multicolores : La led bicolore comporte deux électrodes. Selon le sens du courant, la led émet dans une couleur ou dans I'autre .

• - Les leds clignotantes : Ces leds comportent un circuit électronique interne qui génère leur clignotement. La période est comprise entre 0,4 à 1 seconde (2,5 à 1 Hz), selon le type. Elles sont alimentées par une tension continue de 6 à 12 V sans insérer une résistance de limitation de courant.

Caractéristiques électriques

• Point de fonctionnement et tension direct

• Une LED se comporte électriquement comme une diode. Pour émettre elle doit être polarisée en direct.

• La caractéristique IF(VF) montre que la tension de conduction de la diode LED (forward voltage) est environ 1,5 volts à 2 V.

Le courant IF vaut environ E-2V/R.En pratique, le constructeur

préconise 10 à 20 mA.Le courant traversant la LED

détermine l'intensité lumineuse émise.

• Remarque : certaines diodes ont des tensions de construction de l'ordre de 3 volts et plus.

• Diverses couleurs de LED : LED rouge, orange, jaune (ambre) : 1.8V à 2V , LED verte standard (vert clair) : 1.8V à 2.2V

Applications

Avantage des LED

• S’allume de dix à cent fois plus rapidement que des sources delumière à incandescence (~0,01 sec)

• -Dégagement de chaleur plus faible

• -Résistantes aux chocs et vibrations

• -Longue vie (10 ans) et mort «progressive»

Inconvénients des LEDs

• Plus cher que les technologies traditionnelles

• -Dépendance vis-à-vis de la température et des conditions d’utilisation

• -Besoin d’un dispositif d’évacuation de la chaleur en cas de fonctionnement à température élevée

Diode Laser

• Plus pointu et difficile à réaliser que les LED

• MAIS

• Meilleures performances :

• -Rendement de 30% (environ 3% pour les autres lasers)

• -Largeur spectrale faible

• -Qualité du rayonnement émis élevé

• -Temps de réponse faible

Schéma de base

Amorçage par émission spontanée

Matériau couramment utilisé : GaAs, arséniure de galliumBande interdite : 1,424 eV, longueur d’onde générée 870 nm

Emission stimulée -Principe

• Photon émis : même fréquence, même phase, même polarisation et même direction que le photon incident

Caractéristique électrique

• La caractéristique d'une diode laser ressemble à celle d'une diode. En dessous d'une valeur d'intensité seuil, la diode est absorbante, au-delà, l'émission stimulée est proportionnelle à l'intensité du courant électrique.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Diodehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Absorption_(optique)https://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_%C3%A9lectrique#Intensit%C3%A9_du_courant

Spectre d’émission

Applications

• Chapitre 4. Détecteurs de lumière • Photorésistance: fonctionnement, technologie, symboles et

codifications, schémas et applications. • Photodiode: fonctionnement, caractéristiques électriques,

caractéristiques optiques, symboles et codifications, circuits associés.

• Phototransistor: principe, caractéristiques, symboles et codifications, schémas et applications.

• Cellules photovoltaïques (Photopile, Batterie solaire): effet photovoltaïque, fabrication des cellules.

• Afficheurs à cristaux liquides

• Photodiode

Principe de la photodiodeJonction PN formée d’un cristal semi-conducteur (Si,Ge) qui, lorsqu’on l’éclaire, émet un courant électriquepar effet photoélectrique.

Schéma symbolique

Les photodiodes sont souvent avec une coque de plastique noir. Cela permet de filtrer la lumière visible et de ne capter que la lumière infrarouge.

Interconnexion de la photodiode

• L'idée est de respecter le sens de connexion de la photodiode. Pour que ce montage permette une lecture efficace du passage de courant dans la diode, il faut ajouter une résistance importante vers le ground; La LED IR est elle connectée comme une LED normale et son faisceau dirigé vers la photodiode.

Montage dans le sens "normal

Il s'agit ici d'utiliser le fait que la photodiode émet un courant lorsqu'elle reçoit un faisceau d'ondes infrarouges. Nous allons donc monter la diode dans le mauvais sens. La résistance pour ce montage doit être plus faible (ici 1KΩ).

Montage dans le sens inverse

• Application

• La première application qui vient à l'esprit est la barrière infrarouge. En effet vous pouvez très bien associer un montage d'alarme

• En association avec une led infrarouge, les utilisations les plus courantes sont dans la robotique avec le cas du suiveur de ligne (ligne noire sur fond blanc) ou de la détection d'obstacle sur de courtes distances.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Ledhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Infrarougehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Robotique

• photorésistance.

Un capteur de lumière : la photorésistance

• Qu'est ce qu'une photorésistance?• Les photorésistances (PhotoCells ou CdS en anglais) sont des

senseurs qui permettent de détecter la lumière. elles sont petites, bon marchés, économiques en énergies, faciles à utiliser et ne s'usent pas.

• Elles sont souvent identifiés sous la dénomination CdS (parce qu'elles sont faites de Cadmium-Sulfite), LDR (pour Light DependantResistor ce qui signifie Résistance dépendant de la lumière et Photo-résistance/photorésistance.

• Fondamentalement, les photorésistances sont des résistance dont la valeur résistive (en ohms Ω) change en fonction de la quantité de lumière qui atteind le capteur (la partie en serpentin sur le dessus). Elles sont abordables (bon marchés), existent sous de nombreux formats/tailles, disponibles sous de nombreuses spécifications (caractéristiques) mais sont très imprécises.

Symbole normalisé d’une photorésistance.

• On peut aussi le nommer résistance photo-dépendante (light-dependent resistor (LDR) ) ou photoconducteur. Pour préciser cette dépendance, on réalise le montage électrique suivant.

• L’éclairement lumineux de la lampe utilisée est estime a l’aide d’un luxmètre.

On peut voir ici que plus l’eclairement est intense, plus la tension aux bornes de la LDR est elevee.

• Il s’agit maintenant de caractériser la résistance de ce composant.

• La tension mesurée par le voltmètre permet de calculer l’intensité qui circule dans le circuit série

• par la loi d’Ohm : I = 𝑈𝑅/R.• La tension aux bornes de la LDR s’obtient

par la loi des mailles, 𝑈𝐿𝐷𝑅= U – 𝑈𝑅.• On en déduit la résistance de la LDR par la

loi d’Ohm, 𝑅𝐿𝐷𝑅= 𝑈𝐿𝐷𝑅 /I

• Utilisation• Chaque photo-résistance agit un peu différemment d'une autre,

même lorsqu'elles proviennent du même processus de fabrication.La variation peut-être vraiment grande, 50% voire plus!

• C'est pour cette raison qu'elle ne doivent pas être utilisées pourdéterminer précisément le niveau lumineux en lux ou milli-candela.A la place, vous pourrez être capable de détecter des variations delumières élémentaires.

• La plupart des applications sensible à la lumière tel que "il fait noir","il fait clair", "y a t'il quelque-chose en face du senseur (qui bloquela lumière)", "y a t'il quelque-chose qui interrompt le faisceau laser"(senseur d'interruption du faisceau) ou "senseur multiple pourdétecter la direction/source de la lumière" sont des cas oul'utilisation d'une photo-résistance est approprié.

• Applications

• Les photorésistances trouvent leurs applications principales dans la détection d'une différence de flux plutôt que dans la mesure précise du niveau de flux reçu (impulsions lumineuses, variation d'éclairage par exemple).

• L'utilisation de ce type de détecteur est très variée

• Les détecteurs de flammes qui sont des photorésistances à détection d’infrarouges ou d’UV.

• Les détecteurs de présence se déclinent sous deux principes différents. Un premier détectant l’augmentation du flux induit par la présence d’un corps dans le champ (principalement des capteurs à infrarouges), le second détectant la diminution du flux induit par l’ombre du corps présent dans le champ du capteur qui est plus limité que celui à infrarouges (détection dans le visible et capteur LDR plus directif).

• L’allumage des lumières lorsque la luminosité diminue (éclairage public ou domestique).

• La mesure de la luminosité extérieure dans les appareils photographiques ou les ordinateurs.

• Phototransistor

Photographie d’une phototransistor

Principe

• Un phototransistor est un transistor bipolaire dont la base est sensible au rayonnement lumineux ; la base est alors dite flottante dans la mesure où elle est dépourvue de connexion. Quand la base n'est pas éclairée, le transistor est parcouru par le courant de fuite ICE0. L'éclairement de la base conduit à un photocourant Iphqu'on peut nommer courant de commande du transistor. Ce dernier apparaît dans la jonction collecteur-base sous la forme :IC = βIph + ICE0.

• Le courant d'éclairement du phototransistor est par conséquent le photocourant de la photodiode collecteur-base multiplié par l'augmentcation β du transistor. Sa réaction photosensible est par conséquent nettement plus élevée que celle d'une photodiode (de 100 à 400 fois plus). Par contre le courant d'obscurité est plus important.

http://www.composelec.com/transistor.phphttp://www.composelec.com/collecteur_et_emetteur_(electronique).phphttp://www.composelec.com/gain_(electronique).php#Gain_d.27un_transistor_bipolairehttp://www.wikelectro.com/courant_d_obscurite.php

• Un phototransistor est un transistor dont la base B est commandée par l’éclairement :

• Si la base n’est pas éclairée, le transistor est bloquée et le courant Ic = 0A,

• Si la base est éclairée, le transistor est en régime linéaire et

Ic= Ie est non nul, l’intensité Ic dépend alors de l’éclairement appliqué sur la base.

Fonctionnement d’un phototransistor

Circuit équivalent

Effet photovoltaïque

• L'effet photovoltaïque est un des effets photoélectriques. Il est mis en œuvre dans les cellules photovoltaïques pour produire de l'électricité à partir du rayonnement solaire. L’effet photovoltaïque a été découvert par le physicien français Edmond Becquerel et présenté à l'académie des sciences en 18391.

• Il est le produit du choc des photons de la lumière sur un matériau semi-conducteur qui transmet leur énergie aux électrons qui génèrent une tension électrique.

• L’effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors des paires électrons-trous (excitation d'un électron de la bande de valence vers la bande de conduction) créant une tension ou un courant électrique. Plusieurs types de composants peuvent être créés à partir de ce principe. Ils sont appelés photodiodes, phototransistors ou des photopiles. Cet effet photovoltaïque est notamment utilisé dans les panneaux solaires photovoltaïques.

• L’effet photovoltaïque a été découvert par Edmond Becquerel, père de Henri (qui a découvert la radioactivité).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_photo%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Edmond_Becquerelhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Acad%C3%A9mie_des_sciences_(France)https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_photovolta%C3%AFque#cite_note-1https://fr.wikipedia.org/wiki/Photonhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteurhttps://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectronhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectriquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_de_valencehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_de_conductionhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Photocouranthttps://fr.wikipedia.org/wiki/Photodiodehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Phototransistorhttps://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Photopile&action=edit&redlink=1https://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Edmond_Becquerelhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerelhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9

Effet photovoltaïque

• Les mots clés :

• panneau solaire : assemblages séries et parallèles de cellules

photovoltaïques PV (ou photopiles).

• Une cellule est un « composant électronique » à matériau semi-

conducteur qui, exposé à la lumière (absorption des photons),

produit de l’électricité : effet photovoltaïque

• Augmenter la conductibilité par dopage

• Mécanique quantique, théorie « des bandes » et le modèle

corpusculaire de la lumière qui permettent d’expliquer ce

comportement des semi-conducteurs

De la cellule au système PV

Lingots de silicium 2/2• Silicium monocristallin (sc-Si)

• Ce matériau est constitué d’un seul cristal, sa couleur est unie, grise.

• Il est obtenu par croissance ou étirage d’un lingot cylindrique à partir d’un monocristal « souche » selon le procédé Czochralski ou CZ.

• Résumé:

• La fonction des modules est de protéger les cellules du milieu extérieur et de faciliter leur mise en oeuvre, tout en limitant le plus possible les pertes optiques et les baisses de rendement dues à l’échauffement des cellules en fonctionnement.

Un afficheur à cristaux liquides

• Un afficheur à cristaux liquides ou est un module compact permettant l'affichage de chiffres décimaux ou de caractères alphanumériques.

• Le cristal liquide est un matériau liquide dont les molécules peuvent s'aligner comme celles des cristaux.

• Le fonctionnement de ce type d'afficheur repose sur la propriété qu'ont les cristaux liquides de modifier la direction de polarisation lumineuse les traversant.

Afficheur LCD

Différents Modes d’Eclairage

Réflectifs = Ecran qui utilise la lumière ambiante pour fournir l'image dans des lieux très éclairés ou en extérieur.

Transmissif = Ecran équipé d'un dispositif de rétro-éclairage pour une utilisation dans un endroit peu éclairé.

Transflectifs = Ecran équipé d'un dispositif de rétro-éclairage (transmissif) et qui utilise, également, la lumière ambiante (réflectif).

Positif = Caractères sombres sur fond clair. Négatif = Caractères clairs sur fond sombre.

Deux Exemples d’Utilisation

• C’est Georges Friedel, physicien mulhousien, qui a compris ce qui se passe dans les cristaux liquides !

• L’état d’un cristal liquide n'est ni un solide cristallin, ni un liquide, mais présente des caractéristiques intermédiaires.

• La molécule est de forme allongée, comme un cigare, qui aurait quelques nm de longueur et quelques dixièmes de nm de diamètre.

Afficheur LCD

Afficheur LCD

Description de la cellule à cristaux liquides

Structure générale d’un CL

Fonctionnement d’un segment LCD

• les cristaux sont coincés entre deux plaques appelées couches d’ancrage, elles-mêmes comprises entre deux polariseurs croisés.

• Les deux couches d’ancrage sont des plaques gravées de sillons dont les directions sont perpendiculaires l’une par rapport à l’autre. Au repos, les cristaux qui s’orientent selon ces sillons passent progressivement d’une direction à l’autre, pour former une « hélicoïde » qui tourne d’un quart de tour. On appelle ce phénomène l’effet nématique torsadé. Ainsi, si une lumière passe à travers une couche de cristal, celle-ci va suivre la rotation de l'hélicoïde grâce au pouvoir polarisant des cristaux liquides. Les polariseurs étant croisés, la lumière peut traverser la cellule.

• Si on applique un champ électrique E aux cristaux liquides, ils vont s’orienter dans la direction du champ E. Le deuxième polariseur bloque alors la lumière, puisque les cristaux ne l’auront plus dirigé dans le plan nécessaire à son passage. En sortie, il y a donc extinction de la lumière.

Fonctionnement d’un segment LCD

Brochage • Un circuit intégré spécialisé est chargé de la

gestion du module. Il remplit une double fonction : d'une part il commande l'affichage et de l'autre se charge de la communication avec l'exterieur.

• Chapitre 5

•La fibre optique

Bref historique

• Préhistoire - envoi de signaux à l’aide de feux sur des collines

• 1793 (Claude Chappe) - télégraphe optique

• 1880 (William Wheeler) - brevet des tuyaux de verre

• 1880 (Alexander Graham Bell) - photophone

• milieu des années 1880 - le « truc » de John Tyndall

Bref historique

• 1930 - Norman R. French (AT&T) -brevette l’idée de communiquer par de la lumière acheminée dans des tuyaux

• 1954 - Brian O’Brien, Harry Hopkins et Narinder Kapany - fibre à gainage

• 1960 - Theodore H. Maiman -démonstration du premier laser

• 1966 - Charles K. Kao et Georges Hockman - analyse théorique - retirer les impuretés dans la fibre, 10 % de la lumière demeurera après 500 m

Bref historique

• 1970 - Robert Maurer, Donald Keck et Peter Shultz (Corning) - première fibre optique avec une perte de 17 dB/km

• 1976 - États-Unis - Remplacement du cuivre par de la fibre optique dans un avion de l’armée pour réduire le poids des appareils de communication de 40 kg à 1,7 kg

Fil de cuivre vs fibre optique

Avantages de la fibre optique

• Insensibilité au bruit– les interférences électromagnétiques ou le brouillage

radioélectrique n’ont aucune influence sur la transmission

• Atténuation de perte inférieure– perte monomode aussi basse que 0,2 dB/km ( 4,5 %)

– perte multimode d’environ 1 dB/km ( 30 %)

• Largeur de bande élevée– Taux de transmission atteignant jusqu’à 40 Gb/s (OC-768)

Avantages de la fibre optique

• Petit format

– une fibre est de la même dimension qu’un cheveuhumain (125 mm).

– Un câble contenant 12 paires de fibre optique, de 1,4 cm de diamètre, équivaut à un câble contenant900 paires de fils de cuivre ayant un diamètre de 8 cm.

• Poids léger

– câble de cuivre 900 paires 8000 kg/km

– câble de fibre optique 12 paires 88 kg/km

Avantages de la fibre optique

• Sécurité de transmission– aucun rayonnement de l’énergie aucune détection,

difficile à trouver

– Intrusion sur le lien créant une perte les intrus serontdétectés

• Sans court-circuit/sans risque de feu– aucune énergie électrique dans la fibre, donc aucun risque

de court-circuit, aucune étincelle et aucune chaleur; idéale pour les environnements dangereux

• Température environnementale– une fibre peut fonctionner à l’intérieur d’une vaste plage de

température (-40oC/100oC)

fibre optique

• Une fibre optique est un guide d'onde à

symétrie circulaire constituée de deux ou

plusieurs couches de matériaux diélectriques

transparents (verre ou plastique), d'indice de

réfraction différents assurant le confinement de

la lumière au voisinage du centre.

Types de fibre optique

• Le paramètre V permet de définir si une

fibre est monomodes ou multimode :

𝑽 =𝟐𝝅𝒂

𝝀𝒏𝒄𝒐𝒆𝒖𝒓𝟐 − 𝒏𝒈𝒂𝒊𝒏𝒆

𝟐

• Si V< 2.405 la fibre est monomode

Comment on peut savoir si une fibre

est monomodes ou multimodes ?

Le nombre de modes propagés dans une fibre est déterminé par :

NA = l’ouverture numérique de la fibre (NA)

d = le diamètre du cœur et

l = la longueur d’onde de la lumière propagée

Le nombre V, ou fréquence normalisée, est utilisé pour calculer le

nombre de modes où : V = NA (2 p d / l )

Le nombre de modes est calculé de façon approximative par :

la fibre optique à saut d'indice : N = V2 / 2

la fibre optique à gradient d'indice : N = V2 / 4

Combien de modes?

Prenons une fibre optique à gradient d’indice où :d = 50 mmNA = 0,29l1 = 850 nml2 = 1310 nm

Multimode (approximatif)N = (NA ( 2 p d / l ))2 / 4

l1 N = 2872l2 N = 1209

Multimode

Prenons une fibre réelle à saut d’indice(SMF-28 de Corning) où :

d = 8,2 µmNA = 0,14l1 = 1310 nml2 = 1550 nm

L’opération monomode est accomplie à (approx.) :

N = (NA ( 2 p d / l ))2 / 2l1 N = 15,159 and V = 5,506l2 N = 10,828 and V = 4,654

Monomode

Caractéristiques de la fibre optique

• Atténuation et longueur d’onde:

La lumière, lorsqu'elle se propage le long de la fibre, sʼatténue progressivement. Cette atténuation sʼexprime par une valeur en dB/km. Cette atténuation dépend de la longueur d’onde (λ), c’est à dire de la couleur (fréquence) de la lumière. En conséquence la longueur d’onde de la lumière utilisée pour transmettre un signal dans une fibre optique n’est pas choisie au hasard, elle correspond à un minimum dʼatténuation.

Caractéristiques de la fibre optique

• L'ouverture numérique• L'ouverture numérique d'une fibre

optique caractérise le cône d'acceptance de la fibre : si un rayon lumineux tente de pénétrer la fibre en provenant de ce cône, alors le rayon sera guidé par réflexion totale interne ; dans le cas contraire, le rayon ne sera pas guidé.

• En posant nc , ng et θ respectivement les indices du cœur, de la gaine et l'angle d'incidence, alors l'ouverture numérique de la fibre s'exprime par la formule :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fibre_optiquehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Rayon_(optique)https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9flexion_totale_internehttps://fr.wikipedia.org/wiki/Angle_d'incidence_(optique)

Caractéristiques de la fibre optique

• Bande Passante:

Cʼest une mesure de la capacité de transport de données d’une fibre optique. Par exemple, une fibre peut avoir une bande passante de 400 MHz.km (méga-hertz kilomètre). Cela signifie qu’elle peut transporter 400MHz sur 1 km.Labande passante dépend du type de fibre. La fibre monomode permet d’avoir un débit beaucoup plus important que la multimode.

Exemple

• Une information (A, B ou C) se propage dans la fibre suivant n modes, ce qui la déforme, comme si elle se dédoublait n fois. Par exemple sur le schéma suivant, le trajet suivant le mode 3 est plus long que celui suivant le mode 2, qui est lui-même plus long que le trajet suivant le mode 1. Si les informations arrivent trop rapprochées, elles risquent alors de se mélanger, et ne sont pas récupérables à la sortie de la fibre. Il faut donc les espacer suffisamment: limiter le débit.

Conditionnement des fibresoptiques

Longueurs d’onde utilisées pour la fibre optique

(situées dans l’invisible)

Fenêtres de transmission de

télécommunication optique

Spectre utilisé dans le cadre de la transmission par fibre optique

spectre visible450 750 infrarouge

650550

Fibre en plastique

850

I fenêtre: systèmes multimodes

II fenêtre systèmes multimodes et monomodes

III fenêtre systèmes monomodes

1300 1550

longueur d’onde (nm)

IV fenêtre systèmes

monomodes

1625

Fenêtres de transmission de

télécommunication optique

Fenêtres de transmission de

télécommunication optique

Premier fenêtre : 0.8 µm à 0.9µm ( ~ 0.85µm)

• Atténuation est très élevée (3dB/Km)

• Utilisée en fibre multimode.

Deuxième fenêtre : 1.28 µm à 1.33µm ( ~ 1.3µm)

• Atténuation relativement faible (~ 0.4 dB/Km)

• Dispersion minimal

• Utilisée en fibre monomode

Troisième fenêtre : 1.525 µm à 1.625µm ( ~ 1.55µm)

• Atténuation minimale (~ 0.2 dB/Km)

Causes d’atténuation

Absorption intrinsèque

Gaine Cœur

Source Rayon lumineux

Impureté

Chaque fois qu’un rayon lumineux entre en

contact avec une impureté, une partie de son

énergie est absorbée par cette impureté.

Chaque fois qu’un rayon lumineux entre en contact avec une impureté, une partie de son énergie est diffusée par cette impureté.

Source

Rayon lumineux

Impureté

Diffusion

Courbures de la fibre qui causent une perte de lumière.

Macrocourbur

es

Rayon lumineux

Reflectance

Épissure

Chaque fois qu’un rayon lumineux rencontre une

discontinuité, une partie de la lumière est

réfléchie à la source. Ce phénomène est appelé

réflectance.

Discontinuités –

réflectance

Mauvais alignement et non-

concordance

Défaut angulaire – saleté dans la

connexion

Dispersion

Définition : distortion du signal sur le

long de la fibre optique

Dispersion modale

Fibre multimode : l’élargissement d’impulsion peutcauser une superposition des impulsions et créer del’interférence entre elles.

Perte

d’information

Impulsio

ns :

entrée

Fréquence (1) = X Hz

ou bit/s

Fréquence (2) = 2 ×fréquence (1)

Impulsio

ns : sortie

Pour corriger le problème de la dispersion modale faut

espacer en entrée de fibre les impulsions

Dispersion chromatique

Il s’agit d’un élargissement dans le temps qui limite le

débit de transmission car il force à augmenter le délai

entre deux impulsions.

Dispersion Chromatique est due à la dépendance entre

la longueur d’onde et l’indice de réfraction. On observe

une différence de vitesse de propagation. L’effet que l’on

retrouve surtout dans les fibres monomodes.

Gaine concordante - G.652

ni

nr

ni

nr

IR

Diamètre

Dispersion décalée - G.653

nr

ni

nr

IR

Diamètre

ni

Dispersion chromatiqueenviron 1300 nm

Dispersion chromatique décalée à 1550 nm

0,8 %

6 mm8 mm

0,3 %

Fibres monomodes – profils

d’indice

Dispersion des modes de polarisation (PMD)

Concept de la polarisation

La lumière consiste en :

un champ électrique - E

un champ magnétique - H

voyageant dans le temps (w) et dans l’espace (k) le long de l’axe de propagation (Z)

Y

X

9

0o

Champ électrique

Champ magnétique

Y

X

Z

(w,k) H

E E

H

Dispersion de polarisation

EE0xE0y

mode fondamental d’une fibre optique monomode(LP01)est une combinaison de deux modes électromagnétiquesnotés LPx01 et LPy01 qui ne se propagent pas à la mêmevitesse dans la fibre si celle-ci présente une biréfringenceparasite, de forme ou de contrainte.Cette variation de vitesse provoque un déphasage entreles deux composantes du mode fondamental et parconséquent, introduit un phénomène de dispersion depolarisation.